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局部理论与全局理论

已有 4760 次阅读 2015-6-7 10:39 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      西方的自然哲学家口中的局部理论与全局理论概念搞的人似明白又不明白。

      科普级的概念是:用微分方程表达的运动规律,属于局部理论;用积分方程表达的理论,属于全局理论。

      而更为深入的概念是:在一个科学理论中,有的物理量是全局性的,而大多数物理量是局部性的。因此,在理论本质上区分全局量和局部量就是有深刻科学价值的。这是因为,把全局量等同于局部量将导致理论体系的内在不协调,后果是阻碍理论本身的进一步发展。

      大多数自然哲学家所举的例子是热力学的温度(和熵)概念,它的特征是:1)对大多数物理定律而言,它不直接出现,但是几乎所有的物性参数都与它有关;2)它不能用局部量来定义,无论是经典的理想气体解释,还是量子力学的配分函数解释,它都是全局性定义(言下之意:温度是数学上不可微的量);3)但是,在很多的理论中出现了温度梯度(空间导数,时间导数)的表述,并置于重要的理论地位。这是把全局量混同于局部量的典型案例。这种错误的哲学根源在于:没有考证温度梯度(空间导数,时间导数)是否在客观上存在。

      在哲学上,全局量的地位是:不依赖于主观意识的客观存在,无法把全局量从系统中孤立出去,它的作用是普遍性的(如引力场就是全局量,它是不可被屏蔽的)。因此,如果一个科学理论出现危机,很大可能的原因就是没有发现或准确识别出理论中的全局量。

      全局量如何处理?肯定其存在是相对容易的,但是要确切的定义它则是非常艰难的。因此一个有长远生命力的科学理论应该是围绕区别出全局量与局部量而展开的,两者肯定的有某种联系,例如:局部量的积分有可能给出全局量的增量变化,但是不足于确定全局量。但是,全局量的导数(微分)不能用来定义局部量,因为其客观上不存在(只是数学上存在)。

      事实上,按自然哲学家的概念,一个具体理论,无论如何变通,总是面临就其理论体系本身而言的全局量和局部量。例如刚体力学中的力矩概念,它总是全局性的概念,而力则是局部性的概念。把全局性概念只接的仿造局部概念来表达物理规律是没有足够的依据的,从而也是理论上的缺陷。的确,在连续介质力学中,矩的概念就变得神秘了,与应力的概念有明显的不协性,多数教科书都避免谈矩这个概念的。

      因此,在一个科学理论中,减少全局量概念,或是用局部量构造出全局量增量(只容许用局部量的积分形式)是非常重要的理论进展。反之,把全局量视同于局部量而引入其导数则对理论本身的科学性而言是灾难性的。

      事实上,在疲劳断裂力学中,疲劳断裂是一个全局物理规律,而其表象则是局部物理规律。力学界用了百年时间也没有证实:疲劳断裂是局部现象。相反,百年来的研究迫使人们认识到:疲劳断裂的本质是某个全局量在起作用。这个全局量为何?理所当然的,人们也作了不少的研究,但是还不足于给出共识性的结论。

      也正因为在客观上全局量与局部量是难于作出主观判断的,因为它取决于客观世界,从而,理论上的规律应该是:微分形式和积分形式并存于一个具体的物理方程之中。从而,自然哲学家认为:几何代数形式的方程是唯一在形式上满足了这个要求。

 




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