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以時空為元素的構成作業

生活 更新时间:2024-11-19 23:28:40

提示:本作較為硬核為了防止讀不懂,您可以先閱讀筆者前日所作:

《四維時空的數學形式1》讓我們從最小作用量聊起

1744年,萊昂哈德·歐拉在論文《尋找具有極大值或極小值性質的曲線,等周問題的最廣義解答》Methodus inveniendi lineas curvas maximi minimive proprietate gaudentes, sive solutio proble matis isoperimetrici lattissimo sensu accepti)裡,以清晰的字句,給出最小作用量原理的定義:

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)1

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)2

拉格朗日對最小作用量的表述

約瑟夫·拉格朗日對于變分法貢獻良多。拉格朗日在論文《分析力學》(Mecanique Analytique)裡,從能量守恒定律理論推導出歐拉表述的最小作用量原理是正确的[4]。能量守恒定律以方程表達為

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)3

其中,E總能量T勢能V動能。

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)4

關于拉格朗日力學的知識:該内容大家大緻了解即可,暫時無需深究

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)5

大家務必記住以下這個公式,我們馬上就會用到它的變形:它的意義是:設定路徑S的兩個端點固定不變能量也守恒不變,則粒子移動路徑作用量穩定值

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)6

式中大寫S代表了作用量ds三維中是“路徑ds的意思,而到了四維時空中,我們就稱它“事件”ds

路徑ds:描述一維x,二維(x,y),三維空間(x,y,z),它的量綱是長度(比如米”)

事件ds:描述三維空間(x,y,z) 光速c×時間維度t (ct,x,y,z) 量綱也都是長度

S :無論在三維空間還是四維時空中,它都代表作用量。

四維時空也可以理解四維空間因為時間t×光速c,就是距離x

歐拉、拉格朗日原理:

我們總結一下前面講到的東西,最小作用量原理是說,對于每一個力學體系,有一個叫作用量的積分存在,這個積分對于實際運動有最小值上面的公式告訴我們,它的變分δS=0。

為了确定一個自由實物粒子的作用量的積分關系,我們引入下面這個公式:

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)7

表示粒子沿事件a事件b兩個世界線的積分,這兩個特定事件是粒子t1時刻到達初位置和在t2時刻到達末位置。α為表征該粒子的常數,隻要知道是一個常數就可以了(暫時不用理解)

筆者在之前曾講過一個特别重要的式子,不知道大家是否記得它:

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)8

看過筆者《洛倫茲變換的意義》一文,你就會明白固有時觀測時的關系:

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)9

于是,我們便可以轉換問題的研究對象作用量=粒子沿事件a事件b兩個世界線的積分

由于ds和dt有上面的公式關系:

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前人的探索告訴我們:

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m為粒子的質量,c為光速

于是,

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)12

作用量和時間的關系

上式中,S為作用量,c為光速,m為粒子的質量 dt為無限小時間間隔, 積分符号代表了無窮加和的思想。

(未完待續)歡迎大家繼續關注。

以時空為元素的構成作業(四維時空的數學形式)13

星河

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