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今日高考考物理,你知道物理与力学不是父子关系而是一对好基友的关系么?

今天是高考的第二天,大物理将登场亮相,话说当年本人物理还是学的相当不错滴,但是还是没有想到如今却上了力学这条贼船。很多人在高中物理中学习了牛三律,于是就认为力学是物理学的一个子集或者分支,其实这是一个误解,力学和物理学其实是并列的两个基础学科,接下来就扒一扒物理和力学究竟是神马关系。


力学的定义

很多人都搞不清楚力学和物理究竟是个神马关系,有的人把力学的范畴缩小了,认为力学只是物理学的一个分支,而有的人则把力学的范畴搞大了,看见力学两个字便将量子力学、电动力学、统计力学等学科划归力学,严格说他们是属于物理学科的,这些学科名字上冠以力学两个字,只能说明力学在历史上起过巨大影响。

力学有两种不同定义,下面来分别说一说:

ONE“普遍力学”

力学的第一种定义是,力学是研究物质运动基本规律的科学,即研究运动和力的科学。这是普遍意义下的力学,也是力学的本来含义,可称它为“普遍力学”。“普遍力学”应包括古典力学、相对论力学、量子力学、电动力学和统计力学,根据以上定义,可以认为力学和数学的关系如同π字的两条腿,它们支撑了整个自然科学,从而形成基础科学的π结构图象。

“普遍力学”又称为理论物理学。既然如此,有什么必要别出心裁,搞一个“普遍力学”的名称呢? 下面先就“普遍力学”各学科的来历和内容具体说明“普遍力学”名称的合理性。

人们曾试图将牛顿力学应用于微观领域但遇到困难,于是着手修正它,使之既适用于微观领域,而又在宏观条件下能以牛顿力学作为其足够精确的近似形式。这样修正后的形式称为量子力学,它当然仍是力学,正像几何光学是光学,比几何光学更为精确,从而适用面更宽的波动光学不会不是光学一样。若量子力学只是名义上,而非实质上的力学,科学史何以称牛顿力学为“古典力学”呢? 同样,以牛顿力学为低速和弱引力场近似形式的狭义和广义相对论当然也是力学。万有引力定律和广义相对论的引力理论分别是牛顿力学和广义相对论中不可分割的力学规律,那么讨论电磁力变化规律和带电或带电流物体宏观机械运动规律的经典电动力学又怎能不是力学呢?更为精确的量子电动力学以及其他量子场论当然无疑也是力学了。既然它们都是力学,这就说明了普遍力学的定义是合理的,早就被科学史承认了的,本来意义下的力学定义。这也就是理论物理各分支学科的名称大都冠以“力学”二字的根本原因。

TWO“宏观力学”

力学的第二种定义是,力学是研究物质宏观机械运动的学问。这是狭义意义下的力学,称它为“宏观力学”。国际理论和应用力学大会的力学和七大基础学科(数、力、理、化、天、地、生)中的力学,均是“宏观力学”的简称。

“宏观力学”包括一般力学、固体力学和流体力学等分支学科及交叉学科,是为力学界所公认的,但关于量子力学、电动力学、统计力学和相对论力学是否属于宏观力学的问题,说法很不一致。 

上面已指出,相对论力学、量子力学、电动力学和统计力学与牛顿力学一样,都属于“普遍力学”,它们是所有自然科学的共同基础,也都是当代宏观(包括宇观在内)力学的重要基础。但是,不能因此而认为它们都属于宏观力学,在“普遍力学”的五门基础中,只有牛顿力学

和相对论力学是“宏观力学”之所以被称为宏观力学的原因,所以可以说这两门力学属于宏观力学,而其余三门则以称为“宏观力学”的基础为宜。

需要说明,“宏观力学”确实以相对论、量子力学、电动力学和统计力学为重要基础。相对论作为“宏观力学”的基础,这不仅由于“宏观”应包括目前常说的“宇观”(如宇宙爆炸、宇宙膨胀,星系形成和演化等动力学问题)在内,就是在不包括宇观的那个狭义的宏观范围内,相对论也是不能被排除的,因为强引力场中的狭义宏观机械运动(如中子星的内部及附近)以及准静态弱引力场中的高精度要求(如水星等行星轨道近日点的进动现象)都要用广义相对论。“宏观力学”若不采用电动力学中的洛仑兹力公式和电磁场的变化方程,以及材料本构关系(或内参量、细、微观方程),也不能完整描述有关的宏观机械运动;本构关系等等方程,虽然目前大多靠经验、半经验或恰当的模式假设来解决,但随着实验和工程精度要求的提高和人类对自然界统一性的不断追求,最终还是要求助于量子力学和平衡、非平衡统计力学,并发展非平衡统计力学方法来彻底解决。 

任何学科都是从无到有,内容不断充实和深化,范围不断变化的,“宏观力学”也不例外,“宏观力学”过去建立在牛顿定律和经典热力学的基础上,现在则扩大到量子力学描述的微观层次。固体力学已明确地打出了宏、细、纳、微观力学的鲜明旗帜固然如此,流体力学、天体力学等其它分支也无不如此,并且研究范围已扩大到宇观。所以宏观力学植根于普遍力学的面正在日益增宽。 

如今宏观力学家从“宏观力学”的角度出发,用量子力学来处理固体等,当然就产生出量子固体力学等宏观力学的分支学科了。正象化学家用量子力学处理原子、分子结构而产生出量子化学,从而使化学的面貌大为改观,牛顿力学和相对论使天文学大为改观一样,量子力学、相对论力学将大大改变宏观力学的面貌,这是人类的求知欲和科学发展的必然趋势。 


力学与物理学的关系

“普遍力学”就是理论物理学,属于物理学的基础部分,这一关系已十分清楚。但是实际上既是基础学科,又是技术学科的“宏观力学”,在作为独立的基础学科的资格问题上,往往存在混淆:现代宏观力学以理论物理学中的牛顿力学、相对论、量子力学、统计力学为基础,乍看起来它不能与物理学科并列,而只能是物理学的子学科。对这一问题的最好回答是提出下述反问:化学以量子力学和统计热力学为主要基础,为什么它可以与物理学并列呢? 天、地、生以数、力、理、化为基础,它们又为什么可以与理、化、数并列呢?

实际上,基础学科的基础性是相对于各类自然现象和有关的工程技术而言的,并不要求它们是最彻底的基础;基础学科之间的并列性并不表示它们之间没有彼此的逻辑依赖性,并列性之依据主要在于研究物质世界时看问题的角度之并列性以及所包含的问题的质和量之多,足以使它们各构成一个完整、系统的研究领域。“宏观力学”着眼于物质的宏观机械运动,这不失为研究物质运动的一个重要角度。现代宏观力学已发展到完全可以像化学等其它基础学科一样与物理学并列的程度,只是人们对现代力学的内容了解不够,或虽然有所了解,但对于由缓慢的量变积累而引起的质变,在认识上往往表现出滞后性规律,所以至今仍有人不承认宏观力学相对于物理学的独立性。这并不奇怪,事实上许多我们今天看来是理所当然的学科,如应用数学、理论物理等,它们的分支学科地位当初都是经过许多优秀学者的奋斗才得到承认的。



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