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lxg6226新蟲(chóng) (初入文壇)
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[交流]
【交流】簡(jiǎn)論牛頓力學(xué)的和拉格朗日力學(xué)幾何的差異性
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翻開(kāi)大多數(shù)海內(nèi)外的一本中級(jí)理論物理學(xué)教材（即本科高年級(jí)和碩士低年級(jí)），都是簡(jiǎn)要地回顧了一下牛頓力學(xué)（包括哈密頓力學(xué)在內(nèi)）和拉格朗日力學(xué)兩種力學(xué)的所謂的“物理學(xué)”差異性，幾乎從不論述它們二者的幾何學(xué)差別性。而有的美國(guó)教授豪瑟正確地說(shuō)道，把在一個(gè)正交空間中展現(xiàn)的牛頓力學(xué)，放進(jìn)兩個(gè)互為倒易的斜交空間重新表述出來(lái)的力學(xué)就是拉格朗日力學(xué)�？墒牵瑓s沒(méi)有把“牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)的幾何差別”陳述出來(lái)。 當(dāng)然，在高等物理學(xué)的教材（碩士高年級(jí)和博士年級(jí)）中，很多國(guó)內(nèi)外的作者幾乎是清一色地把“牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)的差別”詮釋為“余切叢和切叢上的函數(shù)”（微分幾何中，一個(gè)微分流形的余切叢是流形每點(diǎn)的余切空間組成的向量叢；一個(gè)微分流形的切叢是一個(gè)由流形各點(diǎn)上切空間組成的向量叢，其總空間是各切空間的不相交的并集），固然這是正確滴。可是，切叢和余切叢的關(guān)系又是什么呢？呵呵，遺憾的是幾乎沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)著明確指出和推導(dǎo)。 然而，更重要的問(wèn)題卻是：“同一個(gè)物理學(xué)質(zhì)點(diǎn)的幾何模型，真的會(huì)有任何物理學(xué)上的差別嗎？”換言之，當(dāng)我們選擇不同的數(shù)學(xué)幾何學(xué)來(lái)描述在光滑自由空間中同一個(gè)物理質(zhì)點(diǎn)的加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，無(wú)疑地將產(chǎn)生數(shù)學(xué)上的形式差別，可是這會(huì)出現(xiàn)物理學(xué)上的本質(zhì)差別嗎？ 歐幾里德幾何學(xué)比較特殊，它是在笛卡爾正交坐標(biāo)系里展開(kāi)討論的。這是牛頓力學(xué)首選的數(shù)學(xué)模型，人人對(duì)它都耳熟能詳。碰巧的是，它的兩個(gè)左右共軛的空間恰好一模一樣，鏡像一般而無(wú)需任何區(qū)分。正是這個(gè)特點(diǎn)，讓我們覺(jué)得歐幾里德幾何學(xué)是在自然那不過(guò)的，并且直覺(jué)上感到這是很簡(jiǎn)單、又很真實(shí)的幾何學(xué)。 歐幾里德幾何學(xué)是仿射幾何學(xué)的一個(gè)子幾何，它可以被稱作是“正交幾何學(xué)”；而仿射幾何學(xué)也可以稱作是“斜交幾何學(xué)”。顯而易見(jiàn)的是正交的歐幾里德幾何學(xué)是斜交的仿射幾何學(xué)的一個(gè)子幾何，因?yàn)榧偃缱鴺?biāo)系的個(gè)坐標(biāo)軸恰好是正交的——即彼此相互垂直的話，這時(shí)的仿射幾何學(xué)依舊是仿射幾何學(xué)，但是，同時(shí)還可以被稱作是歐幾里德幾何學(xué)了。 就一般情況下，仿射幾何學(xué)各個(gè)坐標(biāo)軸之間呢，彼此都不相互垂直。這時(shí)的幾何學(xué)就不是歐幾里德幾何學(xué)了，而是仿射幾何學(xué)了。顯然，它要比歐幾里德幾何學(xué)復(fù)雜得多。能帶來(lái)更豐富的幾何學(xué)內(nèi)容，還必須引進(jìn)很多歐幾里德幾何學(xué)一系列的名所沒(méi)有的但又是必需的很多幾何概念集。 首先，它的左共軛空間和右共軛空間很不相同，雙雙如影隨形，密不可分地緊緊關(guān)聯(lián)著，這種雙形式可以和歐幾里德幾何學(xué)有著形式上的某種特征的“相似性”！當(dāng)然，左右兩個(gè)共軛空間也可以沒(méi)有任何相關(guān)聯(lián)地獨(dú)立描寫(xiě)而單獨(dú)體現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候，就會(huì)能凸顯出它和歐幾里德幾何學(xué)有著形式上的很大差異。 可是，令人遺憾的是，現(xiàn)有的很多教材卻沒(méi)有能夠讓我們的學(xué)生直觀地看清這個(gè)特點(diǎn)。我們以北大或者南開(kāi)的數(shù)學(xué)系的本科一年級(jí)的“空間解析幾何學(xué)”為例的話，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些國(guó)家教委認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)教材的缺陷很大，因?yàn)樗鼈円宦啥紱](méi)有能正確地、完整地介紹仿射幾何學(xué)。它們呢，只是輕描淡寫(xiě)了仿射幾何學(xué)的右空間的情形，對(duì)于共軛的左右兩個(gè)空間只字不談。 描述牛頓經(jīng)典力學(xué)的伽利略幾何學(xué)，在20世紀(jì)初葉才剛剛建立，初步確立起來(lái)了我們對(duì)伽利略幾何學(xué)的認(rèn)識(shí)。但是這部分?jǐn)?shù)學(xué)研究成果，在今天的經(jīng)典物理學(xué)中，還沒(méi)有充分的展現(xiàn)。這個(gè)不幸的歷史，造成了牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)的繼續(xù)分裂，值得注意的是，各種國(guó)內(nèi)外的中級(jí)力學(xué)和高級(jí)力學(xué)的碩博研究生的教材，所給出 的各種“從牛頓力學(xué)推導(dǎo)拉格朗日力學(xué)”的種種所謂的“推導(dǎo)”——沒(méi)有一個(gè)是正確的！切莫誤入歧途哦。 牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)的分裂，現(xiàn)有的這些幾何學(xué)是沒(méi)有能力來(lái)彌合的。怎么辦呢？這就需要我們來(lái)把仿射幾何學(xué)及其微積分和纖維叢幾何學(xué)及其纖維微積分，用創(chuàng)造性來(lái)加以完整化。從而填平牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)之間的大約近300年的歷史鴻溝——在幾何表述上嚴(yán)格證明二者是伽利略對(duì)偶幾何學(xué)上的一對(duì)力學(xué)。 謝謝 |
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4樓2009-05-28 12:02:34
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2樓2009-04-28 23:57:53
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68377605
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無(wú)論是拉格朗日力學(xué)還是哈密頓力學(xué)，都屬于分析力學(xué)的范圍，而分析力學(xué)無(wú)疑是從變分原理（莫培督原理、費(fèi)馬原理、達(dá)朗貝爾原理），通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不局限于關(guān)于物理運(yùn)動(dòng)學(xué)的空間構(gòu)形而演繹出來(lái)的，她以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)直切物理過(guò)程與其內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制。從某種意義上講，她把物理拔高到一個(gè)全新的高度，所以在從經(jīng)典力學(xué)過(guò)度到量子力學(xué)的時(shí)候，總是想方設(shè)法找到系統(tǒng)的哈密頓量。 至于樓主所說(shuō)的兩者幾何上的差異，源于對(duì)物體構(gòu)形空間的數(shù)學(xué)假設(shè)不同（認(rèn)識(shí)自然界的能力和高度不同）。具體的基本數(shù)學(xué)假設(shè)和詳細(xì)的建構(gòu)過(guò)程，請(qǐng)參閱A.阿諾爾德的《經(jīng)典力學(xué)的數(shù)學(xué)方法》（有中譯本最新版，齊民友先生據(jù)老版本整理的）。非常、強(qiáng)烈的推薦�。�！ （以上純屬個(gè)人觀點(diǎn)，錯(cuò)的地方請(qǐng)好心的蟲(chóng)友們指出來(lái)！） [ Last edited by 68377605 on 2009-6-14 at 13:07 ] |
5樓2009-05-28 12:36:03
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