伽利略在物理学中的故事讲述（物理建立在虚无）

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物理妙在无着处——谈谈物理学中的非物理量

2016年接近尾声。从2015年12月至今，获得了至少三个新的头衔：中国物理学会科普委员会委员，高等学校数学物理方法研究会副理事长，《大学物理》编委，等。

2016年参加了不少社会活动。今天下午将在长沙梅溪湖梅溪书院讲堂做一个科普讲座，主要通过物理学及其发展讲解科学方法论和自然观。题目是《物理学照亮世界——科学观与方法论》。下面摘录其中的第二部分，该部分主要介绍一个观点：物理的真实，建立在“虚无”的基础之上，而这个传统，始于伽利略。不懂虚像者，何能懂实像?

这里的所谓的“虚无”，就是通常所谓的“非物理量”，确切而言，是不可直接测量的量。

一

物理建立在“虚无”之上，从伽利略开始

运动是人类最习以为常的自然现象。但人类史上各古文明中，只有古希腊人认真研究过运动。亚里士多德的《物理学》阐述一套系统的运动理论，是古希腊人对运动研究的最高成就。亚里士多德把运动分为两种：天然运动（如天体的圆周运动和物体的自由下落）和激发运动（如投掷或推拉一个物体）。亚里士多德认为，力是物体保持运动状态的原因。对于天然运动，这个力来源于自身重力，对于激发运动，则来源于外加力。伽利略认为，只有施加外力，才能改变物体速度；维持物体速度不变，不需要任何外力。为了证实他的主张是正确的，伽利略做了一个实验。如图所示。假设第二个斜面是水平面，则该小球永远不能滚到先前的高度，因此会不停地呈匀速直线运动。

问题是，这是真的吗? 经验(观察或实验)不可能支持这个结论！例如说,

1．平面不可能完全光滑

2．空气阻力不能为零

3．无限远无法实现(地球是有限的)

4．绝对的平面是不存在的

5．…

也就是，惯性及其惯性定律，本身包含了不可直接检验的概念，而它们是物理学的基础！另外一方面，

在一个适当的时空尺度和技术发展水平上，惯性及其惯性定律完全成立，只要,

1．平面(不可能完全)可以充分光滑

2．通过条件控制，空气阻力(不能为)可以足够小(零)

3．…

所以，从伽利略开始，物理需要一些抽象的概念，而这些概念不能用实验直接检验。这一点，已经深入物理学最具灵性的一部分。

二

力学

在拉格朗日力学中，拉格朗日L是基本量，但是这个量是“虚”的！在哈密顿力学中，哈密顿H也是“虚”的！拉格朗日量和哈密顿量定义、运动在相空间。如果在实验观测一些现象，例如军事上的精确打击，月亮的盈亏等等，必须借助拉格朗日或者哈密顿运动来完成。这两个方程就是顶天和立地之间的桥梁。

三

电磁学

电场强度E，磁感应强度B，都不能直接测量。但是，电磁场随时间的演化满足这个方程。杨振宁对这个问题有很深的认识。他认为，在现代物理中，甚至四维势也不能为电磁场提供恰当的描述。

如果在实验观测一些经典电磁学现象，例如电火花，粒子的径迹，等等，必须借助洛伦兹力公式来完成。这个洛伦兹力公式就是顶天和立地之间的桥梁。

四

平衡态热力学

熵S，内能U,自由能F，焓H，吉布斯函数G，等，都不能直接测量。

但是平衡态热力学的函数必须满足这些关系。如果需要在实验观测一些现象，例如热容量，压缩率，吸放热的量，温度的升降等等，是这些关系的后果。

五

平衡态统计物理

配分函数Z就是一个“虚”量

如果需要在实验观测一些现象，例如热容量，压缩率，吸放热的量，温度的升降等等，都需要对配分函数求导数来完成。

六

量子力学

波函数就是个“虚”量！或者说，不是一个直接可以用实验检验的量。波函数的运动满足薛定谔方程，这个运动还不是发生在实空间，而是在希尔伯特空间内进行！

当观测粒子分布密度，动量分布密度，干涉条纹，粒子衰变、分裂的等等，都需要对波函数进行进一步的运算来完成。

七

结语

“自然中之物，互相关系，互相限制。然其写之于文学及美术中也，必遗其关系限制之处。故虽写实家，亦理想家也。又虽如何虚构之境，其材料必求之于自然，而其构造，亦必从自然之法律。故虽理想家，亦写实家也。”——(王国维《人间词话》第5则)

“诗人必有轻视外物之意，故能以奴仆命风月。又必有重视外物之意，故能与花鸟共忧乐。”——(王国维《人间词话》第61则)

物理之妙全在无着之处，这也是物理真实的源头。

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