数论人生

数论是一门学科,也是我的人生。有人把酒论英雄,我用数字描天下。
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自然界里的常数

(2022-01-09 09:37:23) 下一个

我们说自然界里一切事物都在不停地变化着,有什么不变的东西吗?放之四海而皆准的公理?人类有法律条文,自然界有变化规律;这些规律都是用相关变量的幂次的比例关系来表示的。变量自然在变,但是,它们之间的关联系数却是恒定不变的。

最基本的一个关系是,圆的周长与直径成正比:当直径延长一倍时,周长也延长一倍;不信的话,你就去实际量一下。这个比例系数就是圆周率Pi (希腊字母π或Π,与英文字母P同位置,皆为字母表中第16个字母) ;它是一个无理数,即无限不循环小数。中国古代的数学家祖冲之把它算到了小数点后6、7位,现代的计算机可以算到几百万位。这里是小数点后一千位,毫无规律可循:

pi = 3.1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679 8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128 4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 5493038196 4428810975 6659334461 2847564823 3786783165 2712019091 4564856692 3460348610 4543266482 1339360726 0249141273 7245870066 0631558817 4881520920 9628292540 9171536436 7892590360 0113305305 4882046652 1384146951 9415116094 3305727036 5759591953 0921861173 8193261179 3105118548 0744623799 6274956735 1885752724 8912279381 8301194912 9833673362 4406566430 8602139494 6395224737 1907021798 6094370277 0539217176 2931767523 8467481846 7669405132 0005681271 4526356082 7785771342 7577896091 7363717872 1468440901 2249534301 4654958537 1050792279 6892589235 4201995611 2129021960 8640344181 5981362977 4771309960 5187072113 4999999837 2978049951 0597317328 1609631859 5024459455 3469083026 4252230825 3344685035 2619311881 7101000313 7838752886 5875332083 8142061717 7669147303 5982534904 2875546873 1159562863 8823537875 9375195778 1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989

数学中有五个基本常数:0, 1, i, e, π,几乎可以生成所有常数。椭圆的面积与其长、短半轴成正比,比例系数还是Pi;可惜,椭圆的周长却没有一个简单的初等函数表达式,即使再引进第六个常数也不行。实际上,数学中是没有常数的!实数的个数是连续的,是不可能用一组有限个数表出的。你可以用简单的幂次构成任何可数的级数,甚至不可数的级数,就算是积分式子也都无法表达。

还有一点,数量都被看成是与时刻无关的;而物理量则不然。你测到的一个比例常数,跟你的后代所测到的同一个比例常数,肯定是不一样的。只是人的生命太短,与无尽的自然无法相比,也就近似地当成常数了;这与测量仪器的精度无关。

眼下的几个物理基本常数是:(1)光在真空中的速度c = 299 792 458 米/秒(爱因斯坦假设此数值与时刻无关);(2)万有引力常数,G = 6.6743015×10^(-11) (国际标准单位),(3)真空中的电介质常数K = 8.987551 × 10^9;(4)真空磁导率μ = 4π×10^(-7)(5)理想气体常数R = 8.31446261815324;(6)Planck常数6.62607004 ×10^(-34) m^2kg/s(一个量子的能量与其频率之比).

为什么会有这些常数?这是由我们所处的宇宙(一个时空)所决定的;在别的宇宙里,所测得的数值肯定是不相同的。爱因斯坦是假设光的运动不是相对的,才推出相对论原理的;如果在比例系数中加入时间的考量,那么,物体之间的相互作用力的表达式就要改写。这才是一个大一统的物理世界。

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jw2009 回复 悄悄话 爱因斯坦是假设光的运动不是相对的,才推出相对论原理的
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这话对又不对。
严格地说,狭义相对论只需要一条假设,那就是伽利略的相对性原理。
只要认定这条原理,认定它不仅适用于力学现象,也适用于电磁学现象,其结果就是:
不仅力学的 F=MA 在所有惯性坐标系协变,而且麦克斯韦方程组在所有惯性坐标系中也应该协变,也就是麦克斯韦方程组中的C必须是常数!

伽利略是个十分伟大的物理学家,后人没有给予他应有的荣誉。
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