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对称概念:体会非线性力学问题的复杂性

已有 3238 次阅读 2012-1-6 17:33 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记| 力学

 

如果使用坐标选择自由的概念,物理量的对称性与坐标选择无关,因而,保持对称性。这样,在张量表达方式上,对称性不变。

但是,对变形运动张量,作为运动的客观描述,谈其对称性在数学上没有本质性含义。但是,在物理上,则完全不同。但,这是与经典理论对立的。也就是说,变形张量本身就是物理量。但是,这个物理量在具体坐标下有不同的分量表达方式。很早以前就有很多物理学家指出简单的对称和反对称分解得到的不是真正的变形张量。

一般地说,数学上的对称要转化为物理上的对称,必须引入各向同性(对易)条件。

       另外,数学上对称的,完全可以在物理上不对称。反之,物理上的对称并不等价于数学上的对称。

       故,变形运动张量这种表达方式是物理的。

       但是,也的确有工程量纲化概念:取初始系为标准系。因而,工程量纲化后,对称性未必保留(除非增加条件)。外在的、和内在的是有本质区别的。

       这是很有迷惑性的,对混合张量:工程量(如果它是物理本质量的话)的对称性能作为张量的对称性;但是,如果工程量不是物理本质量的话,就不能。反之:物理本质量的对称性不一定能在它对应的工程量形式中得到保留。

       过去的物理学家、数学家认为,这对于使用混合张量是灾难性的;因而,直接给出结论:最好不用混合张量。但是,今天物理学家特意的去构造(物理本质量的)混合张量。

       时代不同了,对称性概念下降了地位。尽管还有很多人(大多数)在拼命维护。

       因而,对非线性力学问题,寻求物理本质量的精确定义是关键所在。

变形运动张量F=S+R的对称性S=各向同性(可逆),而R就是方向性(极化方向,不可逆)。

因而,总能选出好的坐标系,使位移场为最简单化的。

       S的对称性就解释为:变形的可逆属性;对应的应力也解释为可逆属性(无论是以当前位形为参考还是以初始位形为参考,得到的应力应变是一样的)。

       因而,陈至达称之为内在的是得到了其要点。

       内在的对称性+内在的转动角是与坐标系选择无关的。

       但是,在使用位移场表达方式时,很容易造成误解。

读者由此可以体会非线性力学问题的复杂性。这种复杂性是运动的内在对称性决定的。如果找出了运动的内在对称性特征,则问题可以简化而得到解。否则,将与真实解相差悬殊。

       因而,对变形力学,现代张量理论的核心考虑是:寻求这样一个坐标系,使得对所求的位移场,转动的效应可以通过单位坐标基矢的调控而消除。以此,获得精确的应变。

       抽象的说,可归结为:针对所考虑的实际变形特点,寻求一个内在的与变形的对称性对应的位移(在弯曲系下的位移,而不是欧几里得几何位移)。

       这种对对称性的追求以经上升为一个物理学上的“定理”:一切物理运动必有其内在的对称性,因而,一切正确的物理定律,必定存在某种对称性。只要找到这种对称性,问题就能大大化简。

       在这样一个信念下,对各种具体的物理运动,寻求其内在的与对称相应的坐标系(弯曲的任意系)就是研究运动的本质规律。

       这样,现代物理也就归结为:对物理运动的坐标系选择研究,即一般说来的,对物理运动的时-空的几何属性的研究。

       而如果只是单纯的使用直角坐标系,这种特性是没有可能得到的。

       不理解这个最基本的定理,就会得到相反的结论张量理论把简单问题复杂化

       因而,在哲理上理解张量理论是进入现代科学的入场券。而在具体操作上的能力直接决定了一个人解答物理问题的能力。

       可惜的是:“坐标选择不应改变给定物理量的对称或反对称属性”这句数学上的不变性要求,在我国被很多力学教科书错误的解释为:“应力、应变的对称性(简单的对称和反对称分解得到的)不因坐标选择的不同而改变”。

       事实上,理论物理学界也不过是近十几年才反思这个问题(在自旋的大帽子下)(简单的对称和反对称分解得到的不是真正的几何张量)。

      



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