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物理学上复杂的理论公式 | 好生活

 MN904 2014-08-06

克斯韦,薛定谔方程等有很多参数,那么这些公式是如何得到的呢?

确切的说物理学家做的是用数学语言描述物理量之间的关系,通常一列出来就是方程的形式。数学推导工作很大程度其实是在于解方程。真正体现物理学家的素养的是在于这方程怎么列。方程都是体现了一定的规则的。物理学家的观点是以方程的形式表达的。例如E=m c^2就是爱因斯坦的观点,他认为E就不等于m c^3或者m^2 c。方程就是用来体现类似这种规定性的。所以,不如问物理学家是怎样形成新的观点的,因为形成了之后剩下的就是用数学表达出来,这就是数学好不好的问题不是物理好不好的问题。在所谓奥卡姆剃刀的原则下,到底什么时候需要形成新的观点?那就是观察到自然界有新的规律性,是用现有的理论没办法描述的。就是说,这种规律性或必然性,没有被现有的理论体系所规定。按现有的理论体系,并没有这种必然性。这时你就需要给现有的理论体系“加一条规定”,使得它不违反已有的所有理论,又能预测出新发现的规律。要不违反已有的理论,你最方便的方法不是灵机一动想到一个再拿去与已有理论一一对应(这是民科的做法,他甚至还不屑于对应),而是干脆就从已有理论出发来思考新的规定。这在数学上类似于是给已有方程组加一条方程的动作。

例如,液体的流动,需要满足质量守恒、动量守恒和能量守恒。但光这三条守恒律并不能解释流体力学中这么多的现象,因此对于一个具体的流动问题,你需要再加一个方程来描述除以上三个守望恒律外的具体的规律。这个方程在流体力学里叫本构方程。它无论被怎么设计,都必须满足质量守恒、动量守恒和能量守恒这三条方程。除此之外,你只需要把它设计到能与实验结果相符即可,这一步跟使把戏一样。

真正需要推导的,是当本构方程已经写好了之后,要给出具体问题的解。这时需要解方程。如果你设计的本构方程形式很坑爹,解方程就会在数学上很困难。但这在物理上,只是技巧性的问题。

中小学学习到的“公式”,很多不过是方程的解。没让你们接触到方程本身。


不大理解你说的有很多参数是什么意思. Maxwell 方程是几个实验定律的高度数学总结. 里面的几个系数都是有物理意义的, 如介电常数, 磁化率等. 这些和你研究的物质直接相关. 最简单的是真空, 无源的情况. 稍复杂的是真空, 考虑有源, 比较难处理的是不为真空的情况, 又有各向同性介质 和 各向异性的介质…. 这些系数都是有根据的, 在你研究问题之前就确定了的. Schordinger方程是不能被严格推导出来的, 教科书里的推导都用到了类比, 即把一般的物理量 对应为算符表示.里面的常用待定量是V(x,y,z)也就是势的情况. 随着研究的问题不同, 形式也不一样. 如一维势阱, 中心势(H原子的例子)等.
公式的形式其实已经很简结了, 且抓住了物理中最需要考虑的内容. 把这些公式应用到真实的问题中才是最复杂的. Maxwell 方程就四个公式,但是要解决一个实际的问题, 还要考虑边界条件等等的问题. 看看 张之翔 的电动力学题解吧, 里面全是很有意思的问题和解决方法, 远比四个方程复杂的多.
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新的理论总是基于旧的理论和假设之上,例如E=mc^2基于洛伦兹变换,上图
大多数物理公式不是严格推导出来的。而是拼凑出来的。很不可思议吧。这就涉及到一点:古典物理(牛顿经典力学)和近代物理(量子力学)体系的不同。古典物理学家一般也都是数学家,他们推导过程逻辑严谨,(如自然哲学的数学原理)让人看起来感觉很有逻辑美。近代量子力学就要求物理思维更重要了(物理直觉),毕竟公式再完美,没有物理意义也没用。比如 薛定锷(之前以为是中国如人汗)方程。首先,薛定锷的导师,认为电子有波的性质,那么做为一种波,这个波肯定满足一个方程。看好了,薛定锷可是先知道:方程的解是波的形式fai的,然后往回去凑方程的形式。当然,这里还是要遵守一些运算法则的。不过不符合也没关系,就等于定义了一种新的运算关系(比如:量子力学里狄拉克符合;当年亥母霍兹解电报方程也不懂拉普拉屎变换.可他就这么用了)。类似的公式产生有:普郎克的量子常数;质能方程.狭义相对论等
你所谓的参数多可能是你还没学一些物理所需要的数学知识,如高等微积分和数理方程等。麦克斯韦方程组中的三个方程是由前人写的,比如第一个方程是散度定理也就是高斯定理的变形,第二个方称是安培环路定理的变形,它在数学上是斯托克斯定理,第三个方程是法拉第电磁感应定律,第四个方程右边第一项类比法拉第电磁感应定律很容易得到,麦克斯韦最伟大的贡献是引入了第二项也就是位移电流,这样一来实验和理论外完美结合起来。由此可以看出每一个伟大理论的出现少不了前人的贡献。而你的问题是麦克斯韦怎么想到的?这正是麦克斯韦的伟大预见,当时实验说明缺少位移电流的方程与实验不能吻合,麦克斯韦便人为插进这一项,就是他通过严谨思考“猜”出来的,但这个“猜”不是凭空猜出来的,有理可循!又符合实验,于是人们承认他是对的。
薛定谔公式就真的是他猜出来的,可是你说他参数多。可能你没学过偏微分吧。方程的每一个参数都是那么的必要,而方程本身又是那么的美妙。据说,后来有一位物理学家像另外一个物理学家抱怨:其实薛定谔方程我之前也写出来过,可是我后来把他放弃了。另一个物理学家说:如果一个人面对如此优美的方程而无动于衷的话,那么他不适合学物理。(并未含沙射影)薛定谔但是大笔一挥写下了这个优美的方程,然后他试着解氢原子的波函数,竟然被他解出来了,于是人们承认方程是对的!
总结一下,每一个伟大的方程背后一定有物理学家超出前人的远见,但是绝非凭空想象,其背后必然有作者扎实的物理功底作为基础(德布罗意大神除外)。他既要不循规蹈矩,思想还要高出普通人。
拥有一个以自己名字命名的方程是每一个物理学工作者至高无上的梦想!与楼主共勉!
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麦克斯韦方程组是通过实验总结出来的,至于里面用到的符号的数学意义只不过是套用进来,然后赋予物理意义。薛定锷的那个我目前还没学很多,但是教授推倒的时候是把已有的波方程做了个变换,然后得到的。(也就是说已我现在学的,薛定锷方程是从一个看起来不合理的方程而弄出来的,结果符合实验)另外就是力学里的拉格朗日方程,汉密尔顿方程,都是基于d’Alembert方程的纯数学变换,就是为了能少分析一点描述运动的量,而且还把牛顿力学里没有考虑的动量、能量守恒考虑在内。费曼说过,物理实际上是一个不断追求精确的学科,实际上物理并不是完完整整描述自然现象,而是通过数学手段来做近似,所以物理公式还有可能就是从简单变化为复杂(考虑更多因素)。例子也是麦克斯韦方程,从电静力学到电动力学
总之,一个物理学家方程牛的地方在于总结前人的智慧和自身预见性下的成立!

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