为什么物理学中较少研究加加速度,就是位移的三阶导数?

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为什么物理学中较少研究加加速度,就是位移的三阶导数?

2023-03-15 19:15| 来源: 网络整理| 查看: 265

动力学基本假设,就是物理系统的演化由其位移的一阶和二阶导数决定,这可以看作一个实验结论。数学上讲,物理系统的演化一定是二阶微分方程,他的后续状态由他的初始条件,包含一阶和二阶导数来决定。

但是基础物理学中确实出现了三阶导数的问题,也就是前面提到的电子辐射的自作用。这个问题的本质,是试图给出一个通用的电子运动方程。

简单来说,电子加速运动会产生辐射,辐射会带走电子的动能,因此必定会产生阻尼力。这种阻尼力会改变电子自身的加速度,使得加速度产生了时间演化,也就是有了加加速度。

因此,辐射阻尼力公式包含加加速度是理所当然的,但这个公式不能被理解为F=ma这种含义,因为他不是基本相互作用,而只是一种效应。它所带来的问题是,这个物理系统的求解需要三阶导数,超出了我们所能给出的所有初始条件范围(见第一段话),这就违背了物理学基本假设。

历代物理学家都为此头疼,这个问题直到量子力学诞生也没有得到解决。20世纪中期还有人在讨论这个问题。不过我个人认为,朗道在他的书中给出的解释是最有道理的。即,经典电动力学即便在经典意义下也只是个宏观的电磁理论,不能用于处理真正意义上的点电荷和强电磁场。

电子自作用问题的本质,和电子自能问题是类似的。当你讨论的对象是一个真正的点粒子的时候,这个粒子附近某处的电场能量就会超过电子自能,以至于粒子与这个场相互作用时(哪怕电子起初是静止的)就可以提取出比电子自能更高的能量,这显然违背了能量守恒。因此,经典电动力学是个宏观理论,在讨论离电子很近或者电磁场很强的时候,他就失效了。我们平时计算时遇到的“点电荷”问题,实际上是在遥远处观察一个电荷,以至于它可以近似为点电荷。

三阶导数的出现,因为违反了物理学基本假设,意味着我们可以任意指定这个数值,这就导致电子运动方程的解可以是无限加速下去,这显然不对。这个解实际上就暗示了,在点粒子情境下,我们可以从点电荷中无限提取能量。

因此,经典电动力学只有在讨论连续分布的电荷(如流体)时,才是数学上完全自洽的。此时电荷密度是有限的,而不像点电荷一样是无限的。

当然实际上,这个“失效”的范围已经超过了量子极限,所以在面对这个问题之前,经典理论就已经不适用了,需要考虑量子效应。这也是为什么量子力学诞生后人们就很少讨论这个问题了。



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