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物理学的现代与经典 精选

已有 4754 次阅读 2018-1-2 09:33 |个人分类:物理|系统分类:科研笔记


   很久很久以前我介绍过传奇的引力课本MTW,最近普林斯顿又推出Kip Thorne的新书,Modern Classical Physics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics& Roger D.Blandford合作,Princeton University Press, 2017),它的材料已在多个学校讲过30多年,但成书还是第一次,比那本砖头还要厚重(16K1500+页)。

   我们早已习惯了“经典物理学”与“现代物理学”的说法,但细想想却发现它似乎是物理学特有的“分类”,其他自然科学学科都不那么说,即使说“现代xx学”,主要也是历史的区分,而且没有确定对应的“经典xx学”(如数学、化学、生物、天文、地学,几乎都没有贴那个标签的课本)。再想想,Classical其实是一个看起来清楚想起来模糊的词儿。一般说来,“现代”物理学通常指相对论和量子论以来的物理学,则它们之前的都是“经典”物理学。这样以时代划分的classical其实更应该称为“古典”,犹如我们说古典文学,而古典的东西未必都是经典,汉语的这两个词有着完全不同的语境。在英文里,classical主要是与古希腊和拉丁文学相关的东西,并不强调时代性。汤川秀树的《经典物理学》(科学出版社198610月中译本)就把相对论也包括了,显然不是以时代为标准的。那么,“经典”与“现代”还有另一个划分标准,即因果的或确定与不确定的标准,从这点说,量子物理以外的物理都是经典的。(吴大猷先生的理论物理学系列的第一本叫《古典动力学》,我想只是classical的一种译法,并没纠结“古典”与“经典”。)

   【附:汤川《经典物理学》目录(六部分十九章):

I 物质、空间和时间(质点力学到流体力学)

II 光与电磁场(以太、光、电磁场、电子)

III 相对论(相对性原理、引力场、电磁场)

IV 宏观状态的概念(热力学、统计力学)

V 经典力学的概率论处理(布朗运动、各态历经)

VI 经典物理学的世界图景(牛顿-拉普拉斯图景、相对论世界)】

“经典”其实是一种追认。除了引领时间的人出口就“经典”而外,普通经典都是被时间泡出来的。物理学区分经典与现代,大概源于老前辈普朗克,他在1911年的Solvay会上同时发明了“经典”和“现代”物理学的说法;而在他之前(大约1899年),玻尔兹曼也曾自诩为“经典物理学家”(从法国的数学物理传统衍生出来的)。(参见Richard Staley, 2008,Einstein’sGeneration: The Origins of the Relativity Revolution, University of Chicago Press, Chicago.

   K当然也不会去纠结两个名词,不过也界定了“经典”和本书的界限:经典物理学是处理宏观尺度现象的物理学——在宏观尺度上,普朗克常数等于零,物质与辐射以整体性为主,粒子性可以忽略,即不管单个粒子的性质(物质内秉的粒子性),而只关心群体的统计性质。相应地,本书在时空和相空间的舞台上讨论统计的和连续统的力学(固体的、流体的和等离子体的)、光学和相对论(狭义的和广义的),“遗憾的是,今天很多物理学家对这些主题及其应用所知甚少。”(Unfortunately, many physicists today have littleunderstanding of these subjects and their applications.

   当然,最重要的还是如何实现经典内容的“现化代”。我批判过一本“新世纪物理学”因为它贴了“新世纪”的标签却实在只是一本新世纪出版的“旧物理学”。老K的书是怎么“现代”的呢?首先,他干脆利落地省略了我们最熟悉的力学、电动力学和热力学三大块,他实话实说是为了省篇幅,好多一点时间陪家人。当然,他假定读者都学过了。我还可以加一个借口:那老三样的“现代版”已经很多了,新写法也多,从规范场到微分几何方法都有,大概写不出更新的来,干脆不写。

   现代化的一个方面是新的数学形式。老K很强调几何方法,这发扬了老师Wheeler的几何精神(W直接称引力论为Geodynamics,他还造了一个名词“几子”,Geon,作为自传的一个主题词),也与他的广义相对论经历有关(1960年代,物理学家还不熟悉微分几何,关于黑洞的奇点问题一直没有解决,直到霍金和彭罗斯用微分几何证明了奇点定理)。

   现代化的另一个方面是新的应用领域,如天体物理学、宇宙学、地球物理学、海洋学、生物物理学、信息科学和技术等“新世纪问题”。本书随时强调不同研究领域之间的“长程关联”,如统计力学时联系黑洞和宇宙的信息问题,讲光学时不忘引力透镜,讲物质弹性时顺便带上DNA分子和傅科摆,讲流体时还讨论了沉积速率与气候变化……现代性的另一点表现是,用所讲原理来解释新近的现实问题,如世贸中心塔楼的坍塌,海啸和游泳的物理学,望远镜反射面的应力抛光……

   虽然单独的专业课本或专著能涉及本领域的诸多方法、问题和应用,但在“普通物理学”的范围里,还没有一家课本兼容了这么多既广且深还现实的东西,这就为“现代经典”树立了一个很好的样本。








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