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力,引力,及其在物理学中的地位
(1)无疑地,从牛顿(Sir Isaac Newton,1642年12月25日-1726年3月20日(儒略历))开始,“力”的概念深入人心。
(2)考察物质的运动,历来有运动学和动力学两种形式,前者侧重于客观地描述,后者还希望给予运动形式以一个理由,——暂且不论这是否是心理学意义上的(日月星辰自然演化运动,“它们自己”未必需要也不关心什么理由)。
(3)朴素的考虑,力分为接触力和非接触力。当然深入到细节,例如在两物体接触的界面处,所谓的“接触力”恐怕也是“非接触”的性质。正如“散射”过程本质上也不涉及什么“接触”。
(4)无论如何,引力概念具有特殊性。
(5)两物体之间的相互作用,笼统地说,含5个要素:1物体A,2自物体A发出作用于物体B的作用力,3物体A与物体B之间的媒介或者更为广延的两物体所处之环境,4自物体B发出作用于物体A的作用力(反作用力),5物体B。
(6)“接触力”直接去除掉对于要素3的考虑(也许算作是合理的简化)。
(7)引力是明显的非接触力,故此对于要素3的思考,引出来“以太”的问题,至今也没有一个明确的结论。
(8)引力是否是瞬间跨越空间的作用,相关的思考引出广义相对论。
(9)引力至今无法与其他三种力“大统一”。
(10)天文观测的结果,引用引力理论处理后,导致“暗物质”假设。
(11)以上第7-10条,应当能够说明引力概念的特殊性了(其相对于其他力的另类风格),也许还可能写出更多。
(12)牛顿第二定律写作F=ma时,动力学意味是深厚的;写作F=dp/dt时,似乎可以将右侧看做是左侧的一个定义,右侧可认为是“观察到了动量的变化”;另一个更加“定义化”的写法,是将势能梯度定义作“力”。定义成“张三”、“李四”这样的名称本无所谓,成熟的物理学体系,更倾向于“观测/描述”,而不是“操控”。
(13)理论物理关于力学的正则形式,是写出体系哈密顿量,以位置(广义坐标),动量(广义动量)为参量,位置和动量随时间的演化,分别等于哈密顿量对不同参量的偏导数。哈密顿正则形式(或与之等价的拉格朗日方程),是“观测-描述”性的,是运动学的视角,里面没有明显的“力”的痕迹。
(14)在更为成熟、深刻的物理体系中,更多地依赖于能量,动量,位置等物理量,“力”的概念未必是必要的。空间均匀性导致动量守恒,时间均匀性导致能量守恒,因而成熟理论的处理又密切关联到时空性质。
(15)以上第5条中的5个要素,在一些局部处理中,被抽去了“相互作用”、“作用力”的概念。广义相对论的主要结论是:物体A,物体A作为质量体改变其环境的时空性质。物体B可有可无,物体B如果出现在A改造过的时空之中,则也不过是顺从该时空的特点,做自然演化(取最短距离测地线的惯性运动)。当然B也会改造B附近的时空的性质,改造的能力要看B质量的大小了。在广义相对论中,“没有力,只有弯曲时空”的意味浓厚。
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