保守场在运动过程中不会引起像旋量场那样的振荡, 振荡频率的k=0。

来源: marketreflections 2010-01-25 11:24:28 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (12649 bytes)
无旋场子空间的特点是偏微分方程中表示振荡频率的 k=0。但这并不是说场函数或源函数不能随时间而变。只要是一个真实的物理量,它在运动过程中不可能永远保持不变。只是这类场在运动过程中不会引起像旋量场那样的振荡,而是一个保守场


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书1 2.2 为什么不能把波理论纳入经典理论的框架
宋文淼 (wenmiaosong@gmail.com) 上传2007.10 浏览95




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《信息时代的物理世界——实物与暗物的数理逻辑》
第二章 现代电磁场理论

§ 2.2 为什么不能把波理论纳入经典理论的框架

牛顿的物理框架是以运动和力为基础的,而牛顿框架内所能包含的力只有万有引力,而万有引力是无旋的。牛顿的“自然哲学的数学原理”实际上就是无旋场子空间框架内自洽的数学原理。当然这一无旋场不是由电子电荷产生的无旋场而是由电中性粒子的质量产生的引力场的无旋场。一离开了这个子空间,它的数学就不再自洽了。这就是为什么在文献 [8]中我们一再强调安培做了大量的电流元之间的作用力的实验,但是他所推导的安培定律却是错的,因为他用的是牛顿的数学。对经典物理学的突破实际上从旋度运算符的引入就开始了。牛顿整个物理定律的适用范围严格地说就是在无旋场子空间的框架内,即牛顿的能量守恒,质量守恒,电荷守恒等等都是在无旋场子空间内才满足的。一出现了波,这些守恒定律就不再严格满足了。只有把波也考虑成与牛顿的物质具有同样的动量和能量的另一类物质,在考虑了波的能量和动量后才能建立起包含波的整个系统的守恒定律。

在经典场论的很多著作中,实际上把关于无旋场的高斯方程从麦克斯韦方程组中去掉了,如洛伦茨规范下的电磁场方程组实际上就没有了高斯方程了,代之以关于标量位 φ的波方程。很多研究和应用电磁场理论的人把高斯方程看作是静态方程,即只对时间不变的静电场才适用。文献 [17]还明确提出可以不把高斯方程作为麦克斯韦方程组中的独立方程,而把连续性方程:

(2.11)

与式(2.1) 和(2.2) 作为三个独立方程,认为式(2.3) 和(2.4) 是不独立的可以从连续性方程中推导出来。这当然是本末倒置了。实际上麦克斯韦方程组包含了两类子空间的本征特性以及它们之间的相互作用。虽然式 (2.4)只是说明没有磁无旋场,实际上可以不用,但是式 (2.3)却表达了电的无旋场的特性。我们也可以在矢量偏微分算子空间内把无旋场方程表示为:

(2.12)

同样,其电场可以从波函数空间逆变换到欧式空间:

(2.13)

无旋场子空间的特点是偏微分方程中表示振荡频率的 k=0。但这并不是说场函数或源函数不能随时间而变。只要是一个真实的物理量,它在运动过程中不可能永远保持不变。只是这类场在运动过程中不会引起像旋量场那样的振荡,而是一个保守场。现在我们可以看到电荷连续性原理实际上是对无旋场子空间的,即式 (2.11)实际上是:

(2.14)

虽然由于旋量场的散度为零,上式满足了,式 (2.12)也自动满足。但是如果我们要从式 (2.12)来求电流则只能求出电流的无旋分量,而不是全部电流,只有加上电流的旋量部分才是真正的全电流。同样能量守恒,动量守恒等也必须加上电磁波的能量和动量才能真正的守恒。可是电磁波有与牛顿的经典物质完全不同的运动形式,它们的能量和动量本来与牛顿实体物质的能量和动量也有完全不同的形式,怎样进行比较,以及在比较过程中能不能定义以及如何定义与实体物质相应的速度,质量等等的物理量,这些定义出来的物理量还有没有牛顿所定义时的那些物理内容,这些都是需要研究的相当复杂的问题。

搞清波理论是搞清楚现代物理各种理论的一个重要的基础。因为爱因斯坦在批判牛顿理论的僵化的时候,把注意力都放在牛顿理论中时间和空间的分离性上了,他用光速 c把时间和空间联系成一个整体以后,特别是在这样的联系产生了巨大的作用以后,就没有找到造成牛顿理论框架僵化的真正的物理上的原因,当然这完全不能怪爱因斯坦,而只能怪爱因斯坦所处的时代。在那个时代还不存在那种可能性。但是电磁场确确实实在我们面前呈现出一种完全不同于牛顿物质的性质,几乎所有定义牛顿物质的那些物理量,如质量、速度、加速度、力、动量以及轨迹等等,一下子都失去了物理上的实在性。爱因斯坦所批评的 19世纪物理学家想把麦克斯韦理论纳入牛顿理论的框架,这时完全正确的,但是在那个时代他确实也无法知道这两个物理世界框架的真正的差别到底是什么。 这样一个在空间连续分布的,时间和空间上不可分割地联系在一起的“波”的物质存在和运动形式,几乎使整个 20世纪的科学界陷入迷茫之中。选择了波动性为理论基础的量子物理学家,陷于测不准和几率波的迷雾之中,而爱因斯坦选择了粒子模型,同样也不可避免的陷于迷茫之中。对于他来说最大的迷雾就是一个速度不变的粒子到底在物理上意味着什么?速度不变必然引起没有加速度,也就引起没有惯性质量,也就没有力、动量这样一些物理量存在的物理基础。对于我们来说最值得庆幸的是,在这样的迷雾之下,不论相对论还是量子理论 (尽管他们之间有数不清的争论 ),都引领着科学的航船以更快的速度破浪前进。 20世纪的工程和技术科学的巨大发展大都是在这两个理论的指引下取得的。也正因为这样才使得我们现在有可能来讨论如何能把这两种理论结合起来和寻找新理论框架的问题。而且也把传统意义上工程和技术科学从牛顿理论框架下的经典物理世界改造成了宏观的但不是经典的物理世界,这一物理世界应该与微观世界和宇观世界有共同的数理逻辑基础,而且也可以成为探索遥远的未知领域与人类的工程技术和生产活动之间的结合点。

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