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力学的大起大落与可能的未来

2019-9-17 12:48| 发布者: weixin| 查看: 34| 评论: 1|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 什么是力学?这个问题的古董式答案是:一切运动都有它的原因,这个原因就称为力,关于运动及其产生运动的原因的学问就是力学。
  什么是力学?这个问题的古董式答案是:一切运动都有它的原因,这个原因就称为力,关于运动及其产生运动的原因的学问就是力学。这样,力学有两个含义:

    · 对运动本身的表象描述;

    · 对运动原因的内在属性的表述。

  在这个意义下,力学可以按运动的表象分类:如,固体力学、流体力学、空气动力学、生物力学、断裂力学、量子力学、分子动力学、岩石力学、土力学;也可以按运动原因的内在属性分类:如,连续介质力学、电动力学、热力学、等离子体力学,等等。

  在近代,由可以按是否有工程属性而分类为:工程力学、纯粹力学、应用力学,等;还可以按研究手段分类为:计算力学、理性力学、几何力学、经典力学、唯象力学、统计力学,等。

  虽然对于学科的分类并无明确的界限,而且各种力学也是在不同的含义下使用,重叠也很严重,但力学的两个根本属性是不变的:运动的描述和运动的内在原因。或者说:研究对象和对内在原因的研究。

  所有的研究成果,总结下来也无非就是几条基本规律。如果只不过是学这几条基本规律,如动量守恒、角动量守恒、能量守恒等,那么几乎理工科的都学过力学。

  如果具体到各类现象,各专业也把力学作为自身的基础理论,但这是具体化的,一般地说是以专业的习惯性名称来命名,而未必使用力学这个名称。从而,很多人也就不把它看成是力学。

  力学这个学科的大起是在第一次工业革命后,很多的社科词汇带有那个时代气息:如,生产力、活力、能力、吸引力、排斥力。第二次工业革命期间,电力、磁力概念被取代,出现了场的概念,能量守恒概念的地位提高了,而动量守恒、角动量守恒的地位下降了,为了强调这种差别性,有时尽可能不使用力学这个词。如,电磁场论取代了电动力学。新时代所喜欢使用的是物理学。

  这就把对运动本身的表象描述和对运动原因的内在属性的表述要点的学问纳入物理学,就抽象面上来说,力学就被贬低为与具体对象或工程相联系的学问。

  另一方面,也是出于物理学研究对象越来越远离日常生活中的现象。在这层意义上,力学就是日常生活中常见物体(物质)的物理学,从而成为物理学的分支。

  此后,尤其是量子力学、广义相对论建立以后,力学就开始地位大落了。一般地说,多数人认为力学无非是工程上的理论基础,直接把它赶出了基础科学的殿堂。但是,保留了历史背景形成的力学(如量子力学)名称,把它们看成是物理学。

  物理学的基本特点是能量守恒或作用量最小原理为第一性,而动量守恒、角动量守恒只不过是引出的推论,从而,在根本上消灭了力学的基础科学地位。如,现代物理中,把动量作为广义坐标。

  为何有一小批研究者要搞理性力学、几何力学呢?哲学信仰上,这批研究人员认为力学的特点是:动量守恒、角动量守恒是第一性的,能量守恒是导出性的推论,而且未必是必要的(系统无法封闭)。而那个具体守恒律为主导是因运动的属性而变化的,从而,离不开对运动的精确数学描述。这样,要求系统封闭而使得所有守恒律有同等的地位(同时得到满足)是不现实的理想。

  也可以这样来看:物理学研究理想的系统(如封闭系统);力学研究非理想的系统(如开放系统),但往往把它逼近为理想系统。因此,对力学的定义就有大的分歧了:

    · 狭义的工程力学(在我国,基本上是这个含义);

    · 抽象的(广义的)力学(物理学的另一个名称)。

  力学,从它的产生之日起就是与工程直接纠缠在一起的,从而力学的未来就是直接与复杂工程纠缠在一起的基础科学。这种纠缠是现代物理学不能容忍的(工程应用的直接纠缠)。未来,力学就是在物理学与工程科学间的基础科学,起桥梁作用。

  钱学森在1940S谈物理力学问题,其实是看到了这点。而钱伟长推动理性力学的研究也是出于这个论点。但把“动量守恒、角动量守恒看成是第一性”的这个隐蔽的观点显而易见的与1930起到现在的“以能量守恒或作用量最小原理,作为第一性的”这个观点冲突,从而,力学的百年没落是科学时代进步的结果。在此期间,很多力学家迫不及待的证明了:由能量守恒或作用量最小原理,(作为第一性的)可以导出力学的基本方程,力学符合物理学的基本原理。

  而把动量守恒、角动量守恒是第一性的那么些力学研究人员,也就理所当然的被纳入不受欢迎的研究工作者之列。很少人知道,冲量就是作用量概念的前生,而冲量守恒律是因为无法与角动量守恒、动量守恒平起平坐而被迫放弃的概念。但基本粒子的碰撞实验,能量守恒+动量守恒的结果是:角动量(自旋)守恒并不是它们的导出律。同样的,能量守恒+角动量守恒的结果是,动量守恒也不是它们的导出律。也就是说,三者在哲学上是有独立的基础地位的。

  由于这个原因,力学的观点和方法再次的被重视起来,但还是不使用力学这个名称,或在物理学的分支学科的意义下使用。就工程观点看,使用一个标量守恒律(能量守恒)远不如使用一个矢量守恒律(如动量守恒)来得合算,因为后者能提供更具体的运动解释和具体信息。

  以上观点不代表“正确的“观点,也不是力学界、物理学界的共识性的观点,只不过是代表本文作者自身的观点。

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最新评论

引用 henrythoreau 2019-9-18 09:25
作为一名工作多年的工程师,愈发认为力学是工程科学里面最重要、最基础的的。
物理学家研究基础理论和理想世界,工程师研究如何改变现实世界。

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