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(物理规律从何而来(2))古罗马诗人 LUCRETIUS (卢克里修)写了部题为《事物的本质》的长诗,里面讲到世界是由原子与真空组成,原子的品种有限,数量无穷,原子无规律地随机运动进行各种组合,于是就有了万物;卢克里修以生物为例,说最开始有各种奇形怪状的、有缺陷 物种,缺腿、没眼睛的怪兽等等,但他们繁衍生息能力较弱,于是被淘汰了。。。这部著作在罗马帝国灭亡后失传了,到15世纪中期被偶然发现,才流传于世。它对当时基于神创论的宗教社会的冲击可想而知。
从生物看,卢克里修的诗里有进化论的雏形。从物理看呢?
《科普:物理规律从何而来(3)--不变性》一文解释了空时的几何理论,广义相对论抛弃绝对空间、绝对时间的概念。在这种思维下,宇宙之中没有任何优先的参照物。我在该文中,提到规范场不变的原理为粒子之间的相互作用给出了相关的场方程。在数学上,规范场理论与广义相对论有着很多对应的地方,在物理上,规范场论与广义相对论的思路是类似的,就是进一步打破特殊性思维。具体而言,规范场理论就是要求物理规律在另一个空间保持不变。这一规范原理是现代物理学的基石。规范场相关的科普,参见《科普上帝粒子》。
由时间不变性(也就是说今天做实验跟明天做同样的实验,物理规律不变),我们得出能量守恒;从空间平移的不变性(在中国做实验还是在美国做实验,物理规律不变),我们得出动量守恒;从广义相对论的不变性原理,我们得到爱因斯坦引力方程;从规范不变原理,我们得到了强相互作用于弱电统一理论的方程。这每一个发展都可以视为打破特殊性思维的结果。
也就是说,在遇到每一个更深层次的问题,物理学不是寻求某种特殊的东西作为解释,而是去除现有理论中的特殊性的东西。牛顿把行星、月球的运动与苹果的运动用同一个方程描述,否决了天上对地下的特殊地位;爱因斯坦否决了绝对空间、绝对时间;杨振宁的规范场则否决了原以为不同粒子的种类之间的差异。每一次否决,我们都得到了更深刻的知识。牛顿理论可以用于发射火箭,爱因斯坦理论可以造核武器,规范场理论目前还只是不断被实验证实,目前人类的技术还没有利用到那么高的能量。
但所有这些仍然没有解释为什么 f=ma 。这个解释需要我们有一个动力学的基本原理。在讲解这个之前,我们先得讲一个更容易理解的问题,空气压力。
解释了理想气体状态方程的物理原理,我们得到的基本概念是:其实气体分子的运动是没有规律的随机的,气体压强、体积、温度等宏观量之间的关系其实是一种统计关系,对应的物理理论称为统计力学。一个系统所处的状态不过是它最可能的状态。
由没有规律到有规律,自然奥秘的面纱似乎在逐渐消失。
相关的计算表明,当物体质量很大时,有一条路径是最可能的,而其他路径互相抵消,这条最可能的路径就是牛顿力学的路径,对于自由的物体来说,就是直线运动。对于一般的经典力学问题,物体的轨迹遵循作用量原理。很多人第一次接触作用量原理时,感到很神奇,原来运动轨迹竟然是这样被预先确定了。现在我们看到,经典的牛顿力学可以从路径积分推导出来。而所谓路径积分不过是无限条随机路径的叠加,每一条随机路径出现的几率是一样的。
牛顿力学只适用于宏观物体,路径积分的适用范围包括微观粒子,可以解释微观现象。其数学形式跟我们前面提到的统计力学非常类似。经典物理里面,物体的轨迹是固定的、可以预知的。运用路径积分我们能够得到的只是粒子出现在某个位置的几率,而不能确定粒子肯定会出现在某个位置,这与经典物理的确定性是截然不同的。这一理论又称为量子力学。
物理规律实际就是没有规律 --- 从现代物理的观点看,卢克里修的直觉非常接近现实;
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