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【心路5】数学家的魔法

已有 2439 次阅读 2017-10-6 22:12 |个人分类:心路|系统分类:科研笔记

“神”与“权”是世界的两大支柱。
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       比如,《Elements》中只有两样东西:圆与直线。而牛顿在《原理》的序言中也只提到这两样东西——“...画直线与圆是问题,但不是几何学问题...”。我第一次看到这句话时,惊异于他清晰地划分出界线的力量。也是因为这句话,我才“有”力量从那本厚厚的书中拎出“圆与直线”这两样东西。如果说,狭义相对论是处理“直线”(或曰“权”),则不难预料,广义相对论则会走向“圆”(或曰“神”)。确实,在世间能够让人兴奋的,莫过于这两大支柱。以后,我也许会向人们展示,有了这两样,就一定会出现“经济”,而“神”其实是female。作为推论——为了解决经济问题,还得从两大支柱中寻方觅法——这倒是刚想到的。
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       昨天提到“日常经验”,但它究竟意味着什么呢?经典相对论(或曰“伽利略相对论”)应该是直接从“经验”中提炼得出的。其实,这一切中还必须提到一个人——笛卡尔——没有坐标系,就无法精确地讨论相对运动。伽利略相对论与人们通过感官在头脑中建立的“经验相对论”,有着定性的一致性,只是前者更为精确而已,因而两者能够“和睦相处”。可是,如果人类的头脑足够subtle,乃至于能够直接从日常生活中感知到狭义相对论中的那种些微的“反常”现象,甚至能够直接观察到光速不变性,从而在头脑中建立相应的“(超)经验模型”,那么,当爱因斯坦拿出他的理论时,就不会有人感到惊奇了。如果不能理解上面的假设/比方,不妨想象存在某种“超人类”,他们具备上述特质,这样以来他们的日常经验就与狭义相对论有着至少定性的一致性,从而也就不会对那个理论感到惊奇了,就好像我们不会对伽利略相对论感到惊奇一样(后者“稀松平常”)。相信很少有人能像我这样思考(狭义)相对论——给自己点个赞
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       之前在邮件里提到“物理学家的magic”*,今天打算用“数学家的魔法”来导出洛伦兹变换。在此之前,我想先热个身,就“权力的运作”做个初步的探讨。在这个系列的第一封邮件*开头一段的末尾,曾提到“单位正方形的对角线”,这一、两天竟稍得启发。首先,将正方形的一个边看作“权力”,然后复制一条边。下一步,从昨天的“高观点”*出发,要求“无冗余”。为此,只能是将两条边垂直摆放。欲使两个“权力”发生效力,还必须有所铰接——让两个“权力”的一端重合起来。最后,在没有重合的两端之间连线,就产生了一个全新的“权力”——它不是从已有的“权力”复制得到,而是创生出来的!这其中涉及到几个“元操作”:复制、垂直、铰接、连线。其中,垂直是由“无冗余”导出的,或可吸收到“无冗余”里面。这个事情对于现实世界中“权力的运作”有何启发,留待日后思考。以上可以看到“高观点”可以提供演绎的“动力”。复制和铰接是新认定的元操作,不大容易引起注意。
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       忽然又想到个“点子”,有没有可能通过“显微拍照”的办法,“直接”观察光速不变性,以及其它狭义相对论的效应呢?至少,这会是个非常吸引人的“项目”——相对论的“家喻户晓”蕴含着极大的商业价值,同时又联系着很多“高智”——只差个大财主。。。其实,我想做个“天使投资人”——这不是没有可能! 
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       “数学家的魔法”最初大概是从有关微积分的历史中读到的,就是牛顿最初运用“高阶小量”(?)的那种做法——呼之则来挥之则去——就像变戏法一样。为此,我考虑两个“惯性系”S和S’,各自取两个(一维)坐标系OX和O'X',其中O'相对于O以均匀速度v沿着O'X'运动。这里暂时不考虑光速。我设想一个人,手中拿着一把豆豆枪,行走在地面上。O'X'就建立在与地面(OX)平行的地方——O' 就是豆豆枪的端口。今设O'处发射豆豆的速度为w'(豆豆相对于O'的速度),则豆豆的位移x'=w't'。若在S中观察,豆豆的速度为w=v+w',而豆豆的位移为:x=wt=(v+w')t。其它一切推导和操作都按吴大猷的书中走一遍。这样做可能蕴含着某种矛盾,但先不去管它,而是看最终得到什么。就是说,中间过程只当是那个“上吊用的椅子”,得到最终结果后就蹬掉它。
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于是,就有了下面的变换,我把它称作“副洛伦兹变换”:
x'=L(x-vt),
t'=L[w/w'.t-v/(ww')x],
其中,L=1/sqrt(1-beta),而beta=v/w.
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之前的游戏设定是用豆豆枪射出的豆豆替代光束。现在让w'-->c。则w=v+c。由于v<<c,即v相对于c类似“高阶小量”,挥之则去,得到w=c。(想到一个有趣的类比:现实世界中的光速c跟数学世界中的无穷大oo有点象:oo+v=oo)。这样,上述副变换在极限情形(w'-->c)得到如下形式:
x'=L(x-vt),
t'=L(t-beta/c.x),
其中,L=1/sqrt(1-beta),而此时beta=v/c. 
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       刚才呼之则来的w'-->c,以及相应的v<<c,我们再次挥之则去:不认它们的账了——只认最后这个结果。这样,最后这个变换,就是吴大猷书中洛伦兹变换的形式。相应的可以推导出x和t出现于左侧的式子,兹不赘述。我推测洛伦兹大概就是类似这样推导出他的变换的(待考证),其中只用到了“任何物体的速度不能超过光速”,但没有明确体现出“光速不变性”。或许,这就是“数学家的魔法”不够灵验的地方了。。。(这里只涉及到洛伦兹变换的公式推导,物理意义的事情留待以后考察)。
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       最后提一点,斯派的书第8章中提到“...庞加莱从没有理解也没有接受过(狭义)相对论...1912年...他竟出人意料地去世了。(人们知道,广义相对论到1915年才提出来)。根据同一本书的介绍,物理界大概到了1920年才(普遍)接受了爱因斯坦的(狭义)相对论;而到了1960年代,也只有少许人懂得广义相对论。

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注:上文首发于群邮件[Graduate Gate],原标题“论经验”。



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