物理學(xué)中有一些規(guī)律屬于基本定律,它們具有支配全局的性質(zhì),,掌握 它們顯然是極端重要的,。例如力學(xué)中的牛頓運動定律是質(zhì)點、質(zhì)點組機械運動(非相對論)的基本定律,,電磁學(xué)的麥克斯韋方程組是電磁場分布,、變化的基本定律, 物理學(xué)中還有另外一種基本定律的表述形式,,這就是最小作用量原理,,它可表述為系統(tǒng)的各種相鄰的經(jīng)歷中,真實經(jīng)歷使作用量取極值,。可以看出最小作用量原理的表述形式與牛頓運動定律,、麥克斯韋方程組的表述形式極不相同。
牛頓運動定律和麥克斯韋方程組把注意力集中在每一時刻系統(tǒng)所處的狀態(tài),,而最小作用量原理則是總觀系統(tǒng)的各種可能的經(jīng)歷,并用作用量取極值挑選出真實的經(jīng)歷來,。可以看出牛頓運動定律和麥克斯韋方程組比較具體細致,,而最小作用量原理則比較抽象含蓄。 正是由于最小作用量原理比較抽象含蓄,,它概括的面才更廣泛,,不僅適用于機械運動(非相對論)場合,可以導(dǎo)出牛頓運動定律;而且也適合于電磁場場合,,可以導(dǎo)出麥克斯韋方程組,;甚至它還可以適合其他場合,導(dǎo)出物理學(xué)其他領(lǐng)域的基本定律,。可見最小作用量原理才稱得上綜合整個物理學(xué)真正的基本定律,。 根據(jù)最小作用量原理導(dǎo)出各個領(lǐng)域的具體基本定律的方法,先找出系統(tǒng)不同經(jīng)歷的作用量來,,然后從中選擇出相對鄰近的經(jīng)歷作用量取極值,,它就是真實的經(jīng)歷,其中隱含了系統(tǒng)變化的基本定律,。在這里,,要找出相同經(jīng)歷的作用量,對稱性分析起著決定性的作用,,對稱性制約物理定律的形式也得到了最好的體現(xiàn),。 如果一個研究領(lǐng)域內(nèi)的全部對稱性已經(jīng)清楚,則作用量可以完全被確定,,從而也就可以得出這個領(lǐng)域的基本定律,。例如在非相對論力學(xué)范圍內(nèi),根據(jù)空間各向同性,、空間平移不變性,、時間平移不變性和伽利略變換不變性,可以找出作用量等于系統(tǒng)的動能減去勢能對經(jīng)歷的累加,,由此可導(dǎo)出牛頓運動定律,。 由于存在最小作用量原理,對稱性在物理基礎(chǔ)研究中顯示出其重要的地位,。物理學(xué)家通過對稱性分析找出不同經(jīng)歷的作用量,,從而確定具體領(lǐng)域的基本定律。物理學(xué)家們研究一個新的領(lǐng)域,,常常是試探地分析其中的對稱性,,在描述這個世界的作用量公式中增加一些描述新領(lǐng)域的項,從而得到該領(lǐng)域的新的基本定律,。
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