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学习力学的一些想法与体会

日期:11-07 23:04:02|b9b8学习网| http://www.b9b8.com |高中学习方法|人气:922

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我曾经也是一个很乖的学生,只是这个乖有一点盲从的味道---我是无比相信课本和老师的。所以在我的小学,中学时代,我虽然时常对所学过的物理内容作一些思考,但从没有跳出过所谓经典的框框,并且每每因得出与课本或老师相同的结果而兴奋不已,当自己的思考与“标准答案”有出入时,我往往是无比懊丧的把自己“错误”的萌芽枪毙。
    出入科大,给我冲击最大的就是大学的自由的学术氛围,尤其是接触了杨维纮老师的力学课之后,这种冲击愈发强烈的震撼着我,所以这篇论文并没有什么特别具体,实质的物理内容,但却是我上这门课产生的一些一些实实在在的思想和感受,有关物理,哲学,还有一点点宗教,以及我本人的一些疑问与困惑。


一、怀疑与否定
    在最初的某次课上,我第一次接触到了杨老师为我们灌输的敢于怀疑的思想---很多“显然”实际上并不那么显然。第一个被怀疑的目标是我从未怀疑过的---质点。为什么可以把一个物体简化成质点来处理?显然吗?当我对这个问题仔细的思考后,发现原先的显然根本站不住脚,当显然这个挡箭牌突然被撤走后,我发现自己竟找不出什么有说服力的理由来应对这样的问题。这道脆弱防线的崩塌促使我产生了许多新的疑问---物体的构造是千差万别的,内部有各种各样的物质排布,各种各样的作用力,各种各样的微观物质的运动,如此复杂的的情况何以用简简单单的“质点”二字就可以准确概括,而且竟然能得到与事实如此吻合的物理学定律呢?而质点指的是具有质量的点。那么所谓“质量”又怎么能用一个标量来表示内部如此复杂的物体的惯性呢?这其中的一些疑问在杨老师说出质点理论的理由之后渐渐清晰了---质心运动定理保证了它的正确性。由此我对质心运动定理又多了一层认识:它是连接宏观与微观的一座桥梁。然而另外的一些问题却依然没有得到令我满意的解答,我想我还将继续我的思考。
    在讲到运动的独立性时,怀疑又一次出现了,这一次我有了进步,不是在老师的指引下开始的怀疑,而是开始怀疑老师的说法。所谓运动的独立性到底是什么意思?它是从哪一个角度讨论运动的呢?按照老师的说法,运动的独立性成立是有条件的,只有当物体在一个方向上的运动的速度与加速度与其它方向的运动无关时才成立,并举出反例---带电粒子在磁场中的运动以及地球绕太阳的运动。然而我在看书和翻阅其他资料时却得到另一个印象---运动的独立性是在各种情况下都成立的,因为只要参考系选定,我们对于任何一个运动总可以写出位移的三个分量分别关于时间的函数,将它们不断作微商就可以得出速度与加速度关于时间的表达式。由于最初任意一个方向的函数都不含有其他方向的坐标,速度与加速度的表达式自然也不会和其他的方向有关,那么运动的独立性不就自然成立了吗?为此我与老师讨论了两次,上网查阅资料数次并且在论坛上请教了师兄师姐们,得到的答案五花八门,虽然没有最终得到一个肯定的答案,但我却在这摸索的过程中逐渐理清了思路,我的结论是:简单的说,从运动学的角度考虑,运动的独立性一定成立,而从动力学的角度考虑则它的成立是有条件的,但从运动学角度考虑时必须认为运动已经结束,即上述的函数已经存在,而从动力学角度考虑则不需要这个条件,更符合物理学的预测功能,因此我放弃了前者而选择了后者,这次的经历使我对怀疑与否定的兴趣日益浓厚起来。  www.b9b8.com
    第三次大的疑问产生在学完刚体之后,进动与章动引起了我的思考,在花费了一些力气之后,我明白了课本上利用角动量理论给出的解释,但我并不满意,也许是受到中学物理的影响,我是一个牛顿力学的忠实拥护者,喜欢用牛顿力学来解释问题,对角动量的那一套并不怎么感冒,尤其实在课本上以牛顿力学为基础推出了角动量守衡后,我更加坚信凡用角动量能解释的问题一定能用牛顿力学来解释,然而在我试图用牛顿力学来解释进动时却遇到了前所未有的困难。转动的起因是什么?难道真的就不能用牛顿力学给出简单的解释?这个问题在我脑中萦绕了很久,上网,问助教都没有解决。然而一次偶然的机会我翻阅大二师兄们的论文时找到了答案,一位师兄在他的论文里利用转动坐标系下的科里奥利力给出了具有说服力的解释。在位他击掌叫好的同时,另一个想法又出现了...


二、破旧立新
    问题虽然得到了解答,但却是在转动参考系中了科里奥利力,牛顿力学第一次在我的心中轻轻颤动了一下,似乎它也是有弱点的,并非我想象中的那么完美,于是我不禁想,也许我该试着跳出牛顿的框框了,物理世界应该有着更高的准则。着一想法在学习了相对论后变得愈发的强烈。我开始寻找新的标准,高中竞赛的内容给了我启示,我突然想起了一段在高中时期曾给了我很大震动的话:
    时间平移对称性对应于能量守衡;
    空间平移对称性对应于动量守衡;
    空间旋转对称性对应于角动量守衡;
    电荷规范对称性对应于电荷守衡;
    就这样,我想到了新的准则---对称与守衡。
   

新的准则带来了崭新的观点:
    纯粹的经典时空具有时空各点同性及空间各向同性。如空间中存在一个质点,则空间各点同性将被破坏。如质点相对与某一参照系静止,则从该参照系观测,空间具有各向同性,质点便是对称中心。如果质点不受任何力作用,则空间各向同性将保持,即质点相对同一参照系保持静止状态。如质点相对于某一参照系做匀速直线运动,则空间将具有并保持轴对称性,对称轴即是通过质点沿质点速度方向的直线。又由于时间的平移对称性,质点在任何相等的时间内通过的空间距离相同,也就是说,质点相对同一参考系保持匀速直线运动。这样,即由经典时空对称性自然的引出了牛顿惯性定律。

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    此外,由关于基准平面的镜象对称性,也可以得出行星轨道的平面性...
   

三、更深层的疑问
    对称与守衡带来的新观点的确使我眼前一亮,让我在更身的层面上理解了一些学过的物理知识。但这怀疑与破旧立新的经历却使我变得有些“贪婪”起来---有没有凌驾于这两者之上的东西了呢?答案使我又失望有震惊---对称与简单就是物理学的美,而这“美”就是爱因斯坦以来的科学家评判物理理论的终极标准,换言之,没有凌驾于它们之上的东西了,如果有的话,那就是---上帝!科学的讨论最终竟然进入了宗教的领域,我不免有些无奈。我已经是一个不轻信权威的人了,但现在竟让我去相信上帝?!这不免有些荒唐,一个个无法解答的疑问在我的脑中闪过:如果真的有上帝存在的话,怎么知道他是以对称与简单为原则构建宇宙的?有怎么知道在他构建的这个宇宙中,人类有能力找出这些对称与简单的定律?人类以大脑为武器能最终认识大脑本身进而认识自我和宇宙吗?问这些问题就像在问为什么会有光一样,无法在物理学领域得到回答。哲学与宗教或许有自己的答案,但我不愿意相信。物理学家告诉我们,事实表明,对物理现象认识的越深入,她就显得越美。沿着这样的思路冥想,我能看到物理学家心底的那种宗教情感。在判断一个用来描述宇宙的物理学理论是否合适时,爱因斯坦会问,如果我是上帝的话,会按这种方式来创造宇宙吗?每当想到这个玄乎而又看来十分脆弱的基础设计信念时,总会有一丝丝失望涌上心头...


    尽管思考的路途是曲折和困难的,尽管我知道自己的想法也许只是一些错误和幼稚的东西,我的生活已经因此变得更有意义。感谢杨老师的力学课打开了我思索的那闪门,再今后的日子里,我想我会继续。

参考书目:《可怕的对称》 阿.热/著
          《物理解题思路与方法》 王家庆/主编
pb04203006  甄鹤鸣     

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