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數(shù)學心

第三百四十四章 最小作用量原理(理論力學)

數(shù)學心 蔡澤禹 560 2020-11-10 06:10:13

  費馬知道,光沿著這條路徑傳播所需的時間,要比其他的路徑所需的時間都更短。用于研究變分的問題。

  莫佩爾蒂認為,一切物體運動的作用量都是按最小來,原因是宇宙的運轉(zhuǎn)是很經(jīng)濟化的。他發(fā)現(xiàn)了公式A=mvs。用于動量和折射方面的理論。

  歐拉獨立于莫佩爾蒂發(fā)現(xiàn)了這個公式,但是歐拉提出的是對mv求s的積分這種形式。

  歐拉又將這結(jié)果推廣至一群粒子。他認為最小作用原理所以正確,是因為粒子的慣性試著阻抗任何關(guān)于狀態(tài)的改變,自由粒子會選擇遵循影響最小的作用力。

  拉格朗日作用量,就是動能減去勢能,方程對應L=T-V。代表的正是此刻即將能夠發(fā)生運動的能量。

  力學運用到變分原理,成為力學變分原理,虛功是其微分形式,哈密頓原理是積分形式。

  哈密頓根據(jù)拉格朗日作用量提出了哈密頓原理。

  哈密頓知道,一群粒子的運動狀態(tài)沒辦法一個個的精確表示,只能是籠統(tǒng)的只用一個系統(tǒng)的作用量來表示這一群粒子總的作用量。

  在N+1維空間(q1,q2,…,qN;t)中,任兩點之間連線上動勢L(q,t)(見拉格朗日方程)的時間積分以真實運動路線上的值為駐值。

  為什么水喜歡往低處流,為什么一根兩端懸掛起來的線會自然彎成一道優(yōu)美的弧線,為什么太空中的星體和水滴都不約而同地選擇球體這個形狀。這些有趣的現(xiàn)象背后,就是最小作用量原理。

  這個原理用最通俗的話說就是,大自然是一個精明的經(jīng)濟學家,它總會選擇最省力,成本最低的方法來構(gòu)建這個世界。此時,如果你掌握數(shù)學中的變分法,那么你就可以從最小作用量原理推導出牛頓第二定律。

  近代物理中,最小作用量原理依然閃爍著光芒。廣義相對論告訴我們,在彎曲時空中,光依然會選擇最便捷的道路,而絕對不會去選擇一條最艱難的道路。而最小作用量原理也啟發(fā)了費曼,他提出了路徑積分量子化的思想,把量子場論的研究向前推進了一大步。

  有了最小作用量原理,我們還會得到更本質(zhì)的東西——對稱性。

  什么是對稱?對稱就是不變的東西!也就是說,經(jīng)過一系列操作之后,不變的物理量,就是這種操作下的不變量,那么這種物理量就具有了某種對稱性。

  空間平移不變,對應的就是動量守恒,而時間平移不變,則對應著能量守恒。

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