哈密顿:一个随时有人书写的伟大名字|贤说八道(7)
2023-05-25 来源:飞速影视
19世纪末,赫兹(Heinrich Hertz,1857-1894)批评了哈密顿的理论,指出其与光或物质的构成无关。哈密顿的理论可以用于力学与光学,但未必统一了它们。哈密顿的方法是数学方法,但不是物理理论。赫兹的论断有历史的局限性。哈密顿的特征函数概念提出60年后, 布朗斯(Ernst Heinrich Bruns,1848-1919)从哈密顿的力学特征函数往回得到了光学的特征函数,不过给弄成了几何光学的光程函数方法(eikonal method of geometrical optics)。
虽然拉格朗日和哈密顿力学是为了分立系统构建的,但是对于连续体系的研究也适用,电磁学、量子力学、量子场论都采用哈密顿力学的表述。到了1920年代,索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868-1951)在他的Atomic structure and spectral lines(原子结构与谱线)一书中更是高度赞扬了哈密顿的理论。哈密顿的动力学理论不仅适用于经典力学,也可用于量子力学,一点也没有过时的迹象。哈密顿的理论是量子时代的基础物理理论。索末菲等人1916年的文章将量子化条件同力学的偏微分方程联系起来(link up the quantum conditions with the partial differential equations of mechanics)。至于波动力学的基本方程,即薛定谔方程,那就是按照熵公式S=klogW对哈密顿-雅可比方程的改造(参见拙著《量子力学-少年版》)。
薛定谔云: The hamiltonian principle has become the cornerstone of modern physics … his famous analogy between mechanics and optics virtually anticipated wave-mechanics(哈密顿原理是近代物理的基石……他关于力学与光学的著名类比实际上预示了波动力学的存在),诚非虚言。今日的物理学习者,对待哈密顿的学问,还是应该系统深入学习才是。
力学一门,始于亚里士多德,由伽利略奠基为一门现代科学,牛顿赋予了力学以数学体系,自此有了成体系的力学,固有牛顿力学之说。牛顿力学,经拉格朗日力学而至哈密顿力学,由欧拉-拉格朗日方程、哈密顿-雅可比方程而到达高峰。再往后,经马赫的批判,赫兹的重现表述,或者还有庞加莱、阿诺德等人的发展,力学都不再有新系统的出现,其后的理论物理皆以哈密顿力学为基础。拉格朗日力学和哈密顿力学也是进入微分几何、场论、量子力学等领域的门户。学力学的人一定要弄清楚两个问题:1)为什么要从牛顿力学发展到拉格朗日力学?2)为什么要从牛顿力学和拉格朗日力学发展到哈密顿力学?哈密顿力学的关键概念有那么几个,包括不变量方法(守恒律),正则变换,哈密顿-雅可比方程,作用量-角不变量,辛几何,等等。
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