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现代物理中的拖带坐标

已有 3025 次阅读 2017-2-22 11:54 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

       现代物理引入梯度场的方式是F=Exdx+Eydy+Ezdz,而不是经典的梯度矢量形式。在这种表达方式中,dx,dy,dz 就是拖带坐标增量,几何上对应于一个物质微元体。在物理上,把dx,dy,dz 看成是坐标形式的基本矢量。

       这样,由于坐标基本矢量的逆变性,场分量Ex,Ey,Ez就是协变的。在对F求微分时,就有:dF=Exxdxdx+ Exydxdy+Exzdxdz+…. 等一系列的量。

       这样,如果几何上,约定:dxdx=1, dxdy=0, dxdz=0 就得到,dF=Fxx+Fyy+Fzz,显然的,这就是经典的散度,但是,在现代物理中,在哲学上,这是单位体积微元体意义上的散度。

       如果几何上,约定:dxdx=0,则有 dF=Fxy-Fyxdxdy+… 这就是经典的旋度概念,但是,在哲学上,这是单位体积微元体外表面意义上的旋度。

       这样,dx,dy,dz 就是微元体的拖带坐标几何表达。研究它们的代数运算规则就形成超代数理论。一般取其对应的几何微元体是任意的,从而dx,dy,dz 就是拖带坐标增量对应的弯曲基本矢量。

       在哲学路线下,认为dx,dy,dz的运算规则是由全局的时空基本属性决定的。也就是由流形的几何属性决定的。在力学上,对应于物质运动的几何表现。这种几何表现是用拖带坐标系来表达的。

       在这种表达下,场分量Ex,Ey,Ez被作为单纯的数值函数来处理,从而回避了求协变导数的那套黎曼几何下的运算规则。

       也就是把几何运算规则和真实的物理量(随体物理量)的求导运算规则分离了开来。

       这条张量化路线在计算上远远的优于经典的黎曼张量路线。然而,物理学家在论证这条路线时,总是要用黎曼张量路线的对应结果作为对比对象,给读者的感觉是黎曼张量路线的扩充。而实质上是作了巨大的变革。

       在这种表达下,dF=Exxdxdx+ Exydxdy+Exzdxdz+ 前的Exx,Exy,Exz看成是代数上的泛函,而dxdxdxdydxdz 则看成是超曲面上的微分几何。

       这样,就把求导数的任务由作为场量的泛函承担,而经典的联络对应的修正项由微元几何的代数运算规则承担。这显然是张量理论进入工程化应用的直接道路。

       最早在物理学上的成功案例是杨-米尔斯场理论(电磁场的代数几何表达理论)。此后的不断被开拓形成了一般的超代数几何表达。

       由物理学上的客观不变性原理,如果微元体物质上的物理场量dF在客观上没有变化,只不过是在不同的具体坐标选择下,对应的分量有变化,那么客观不变性要求就是ddF=0

       这样,基于现代的超代数几何理论,经典理论的有关概念就在新的物理学哲学基础上被“更新”了。

       有很多数学物理学家认为,这种表达等价于经典理论中的积分形式+微分形式的抽象综合,从而,在满足经典的微分方程的同时也满足经典的积分方程。是局部规律和全局规律兼顾的完美表达,在计算方法上有巨大的优越性。

       有这个案例可见,变形力学上采用拖带坐标系是与现代理论物理的前进方向一致的。从而,在这样的一致性下,变形力学吸纳现代物理的成就也就在数学形式上没有困难了。这证明我国力学家钱伟长的拖带坐标路线是正确的。

 



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