牛顿做的光学实验与牛顿对光的古典理解

为什么自然总是不完美?或者说,为什么自然总是要泄露一些东西来告诉我们:我们的理解是不完整的.
在理解光的历史过程中,这样一个局势迄今都是一直存在的.其实,人类理解任何事物的历史,都是这样一个局势.
最深切地体会这样一个具有一般意义的局势,极具价值.
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《光学》同样是采用欧几里得的风格:
8个定义,用来命名几何光学现象当中的可描述要素:
光线,可折射性,可反射性,入射\反射\折射角,角的正弦,根据折射性定义的简单光,简单光的单色性。
8条公理,用来归纳基本观测现象:
入射\反射\折射角在同一个平面
反射角等于入射角
折射过程的可逆性
折射角与光媒质疏密的定义
折射定律
物体光点成像3公理

这些定义和公理,从几何光学的角度,已经完成。

在力学的世界里面,如果不考虑时间,则同样是几何的范畴,在光学现象里面,时间的引入程度可以很低:
首先是光线的概念里面:只考虑到相继的运动,其对应的实验经验,就是引入一个光源,可以在沿着光线的任何位置挡住光线在后续空间位置的延伸。
然后就是已知光的这种相继运动,具有一定的速度,就是牛顿在定义2里面提到的,对木星的卫星蚀现象的观测。
至此,就是全部的对于光的动力学知识。当然,要解释随后讨论的光学现象,不得不对光,这个实在的对象的物理实质做更多的揣测。

接下来,就是通过实验说明的所谓定理。

ref: 费曼的一个演讲:今日回答牛顿的问题-光,是粒子。

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经典世界与日常世界

经典世界指:经典物理学与相关数学范畴,基于经典物理学的化学,地理地质,生物学等.
这个经典世界的基础就是经典物理学加相关数学范畴.
所以讨论的出发点,就是这个经典世界与我们的日常世界是如何对应的.
这个论点首先会遭遇的反驳是:典型如亚里士多德的物理理论不也是与日常世界紧密对应着的吗?
我的观点是:现在的经典世界是我们的日常世界的一个对应结果,但并非历史上的唯一结果.
我关心的不是如何由日常世界”推导”出经典世界,而是日常世界如何”决定”经典世界,因为我要得到的最终结论是:科学是人类的一种普适行为,与文化无关.
当然,接下来我还需要讨论,超越经典世界后的科学,是如何扩展人类的行为的.

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作为物理测量的洛仑兹坐标变换

既然瞬间只能是局限在一个点上,那么我们怎么走出这一点,而物理地来面对其他点的实在性呢?那就是测量。
对于牛顿那个古典时代而言,测量就是依赖刚体和时钟,其给人的意象就是一个绝对同时存在相对静止的框架。但意象归意象,我们可以承认的只能是物理实在。

对于刚体,在古典时代采取的是一个臆测性质的物理实在,即刚体上任意两个点之间的相对位置都与时间无关。这样一个与时间无关的物理对象之所以能够成立,其前提当然是认可了时间与空间可以是完全无关的两种物理对象。在古典时代设立这么一个假设显然是合理的,因为当时没有任何场合可以用来验证其真伪。

现在,我们仍然是无法明确时间和空间具有何关联,但是我们对于刚体的物理实质有了不得不面对的新的理解,即任何物体都是一群粒子的相互作用构型,而在这个基于相互作用的世界观里面,最好不要引入瞬时的非局域性的作用。

这样一来我们手头可以有的选择,只能是场的相互作用,例如依靠电磁波的传播来实现对于彼地的物理事件的实在性认可,也就是依靠电磁波来定义时空的延伸性质。

然后从逻辑上而言我们面临的任务是2个:
#依靠光信号来测量一个在时间上数值不变的位置
#依靠光信号来测量一个在时间上数值可变的位置
完成了第一个任务,实际上就是确立了一个获得新的阐释的刚体坐标架,一个固定数值所定义的一个固定位置,我们认为是该位置对于我们的第一层涵义;
第二个任务之所以成立,首先是认可了对于任意一个点,其在任意瞬间的存在都是具有物理意义的;然后是认可了无论该点在发生何等物理事件,我们总是可以定义其位置,通过测量的实现。这是该位置对于我们的第二层涵义。

实际上,这两个任务也就是说,对于无论在发生何等物理事件的点,我们可以用两种看法:
#该事件点具有一个固定位置时刻数值,因而可以认为其属于一个静态坐标架;
#除了位置之外,该事件点还具有顺时的速度(甚至加速度,这里暂时不讨论),因为可以认为其属于一个动态的坐标架。

接下来的问题,就是这样两个测量结果具有什么关系,我们推导得到的第一个关系就是__洛仑兹变换关系__。

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古典世界的图象

在Newton(1643-1727)那个时代的世界里,有一些现象是首先被特别注意到的,即有关运动的现象,从此运动的观念构成了我们现在被称为科学的世界图象的一个基础。相比之下,很多文明在未接受现代科学时,运动的观念并没有那样基本的地位。

对于生活中什么东西最重要,或者说最需要注意到,在不同的文明里可能是不同的,同一个文明在不同的时代也会发生变化。古希腊人很仔细,很单纯地思考过运动,古中国人却很少把运动从一个以人为中心的世界里分离出来。

运动观念的背后,是对于时间与空间的独立存在性的观念,也就是说,在一个运动的图像里面,位置和时刻,都是可以摆脱任何惯常的物质对象而存在。这样一个强烈的观念构成经典世界的基础,亦构成经典世界的一个桎梏。

Galilei(1564-1642)在实验中对运动(mecanica,movimenti locail)进行了分类,得到了描述运动的一个关键概念-加速度,即加速度为0的匀速直线运动,和加速度不为0的运动。这样就等于是开始引入了独立时空 的概念,因为加速度概念要有意义,就必须设定一个绝对的时空构架。

测量和误差必是针对观察者的观测而言。数量的表示首先属于沉默的自然。然后才属于我们的规律。奇怪的是居然一般地存在我们可以把握的观念,用来理解 这个自然。这种观念发生于我们与自然的固有关系—-一切神秘之源。而通过理解自然,我们也就同时在理解这种关系的某些方面。

Galilei测量自由落体和斜坡滚动体在单位时间间隔里的位移,从而发现一个不变量-加速度,是人类经由测量而进入古典世界的一个起点。

问题:[[假如Galilei的测量精度达到某个程度]]

但这个测量,我们后来知道,某种涵义上,只是迎合了在一定误差容许下的对于一个图像清晰的世界的需求。

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从古典世界迈向宇宙

Galileo Galilei:落体的速率与它的质量无关。
Newton:
引力与惯性力等效;引力质量与惯性质量的等效;
强等效原理:
弱等效原理:

完全从欧氏几何出发,建立由近至远的天体位置关系:
太阳系的典型尺度:
地球绕太阳公转的椭圆轨道长半轴:1天文单位AU=215太阳半径。
地球的质量是太阳质量的,半径的
冥王星的轨道半径:40AU。
太阳与其他恒星之间的典型尺度:
相对于太阳系内部行星的运动,恒星是不动的,因此应用三角测量法而建立秒差距的单位。
距离太阳最近的恒星南门二,1.33秒差距(pc)=AU。(可见相隔半年能够观察到的最大的恒星角位移还不到一秒。)
运用三角测量法得到的距离是我们测量一切天体距离的基础。这种方法所能够测量的最大距离为50pc左右。
1pc=3.26光年。
银河系主要由个彼此相距1pc量级的恒星组成。银盘半径15kpc,太阳距银盘中心10kpc。
银盘旋转一周年。

通过恒星光谱测量距离:
对于主序星假定存在一个光度与光谱之间的关系;
对于已知距离的主序星(通过三角测量法得到的),可以归纳出这么一个关系;
假定这个关系普适于一切主序星;
根据主序星的定义,直接从光谱特征即可分辨出主序星;
这样对于主序星只要能够测定其光谱,即可依据光谱与光度的关系,得到光度,再依据欧氏空间的球体表面积公式(以下全部的距离测量方法都是以此为最终几何图象的),从亮度得到其距离,这种方法可以达到100kpc的范围。
造父变星与天琴座RR型星的脉动变星。周光关系的存在;银河系存在一定数目的造父变星;河外星系也存在造父变星;主要应用这种方法测量球状星团和仙女座大星云的距离,达到百万pc的范围。
最亮恒星。
超新星。
旋涡星系。具有简单明显的旋转速度与光度之间的关系—Tully-Fisher关系。
椭圆星系。具有星系中心部分恒星的速度弥散度与光度的关系—Faber-Jackson关系。
最亮星系。


两个基本假设:欧氏空间的球体表面积公式;
一切星系和星系团都是相类似的(即最亮恒星,超新星,最亮星系都具有类似的光度;有关造父变星,Tully-Fisher关系与Faber-Jackson关系这些规律都是普适的。)。

一.太阳系。
九大行星;43卫星;2000多小行星;彗星;流星;固体微粒等。
太阳风引起的太阳质量损耗率为MO/年。

力学特征:行星总质量为太阳质量的1/750;而行星公转角动量为太阳系总角动量的98%,其中外行星总角动量为97.8%。

二.恒星。
最为重要的方面就是它的光谱:大致呈黑体辐射的连续光谱迭加Fraunhofer吸收线与发射线。
光谱型的分类序列(根据吸收线种类与其强度):
光谱来源于恒星大气;大多数恒星的大气的化学组成都类似,并且处于热动平衡态;因此光谱特征主要是反映恒星大气温度,即光谱型序列可以理解为表面温度的序列。

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纯朴年代

图像,是人最粗朴的感知,视觉,本体感觉,乃至听觉,都应该参与了图像的构成。
人对于世界的理解,通向概念之形成的理解,正是始于这个图像。
从图像当中最早形成的概念,似乎是图形,而表达人获得对于图形的领悟,可以是身体的依照图形的运动,更明确的,是能够绘摹图形,例如直线段。
这大概就是几何的起源,构成那个纯真的经典世界图景的基础框架,空间概念由此开始成长。
西安半坡遗址(约7000年前)出土鱼纹陶盆
西安半坡遗址(约7000年前)出土鱼纹陶盆

随着几何经验的逐渐丰富起来,纯真年代的另一个要素-因果律开始参与构造那个图像的世界:几何背后的原因。
例如天体运动具有明确重复着的轨迹图形,空中自由落下的石头,铅锤拉直的绳索,…因果律驱使人提问:为什么?
Aristotle(384-322 b.c.)大概是那个时代最典型的图象描绘者,留下一本后世奉为经典的《物理学》。在后世表现出了最大权威性的他给出的一个图像是:空间中的运动大致可以 分为自然的与不自然的两类,空中下落着的物体运动是自然的不受任何干扰的运动,越重的物体下落得越快。
Aristotle是那个时代专致的观察者,只是人类还没有兴起足够强烈的追求精确图像的力量,因此 Aristotle不幸地成为了后来者的障碍。

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Classical Mechanics.Basic Notions

1.Classical Mechanics


<The Detail of This Chapter.pdf>

an elementary depiction about Newton’s mechanics: 质点力学


1.1. Basic Notions and Their Presupposition

space and time

At present, when we talk about something occur, means that it must contains the properties of time and space, or it must occur in the space-time specifically. But, we never say that a time event or a space event occurs alone. We don’t care such a event at present.

No matter what time and space is, however, we can get a sufficient description of them that correspond with our physical concept, because we can always describe phenomenon definitely, in despite of we don’t know the essential of it: (ref: Geometry)

1. an affine space.

2. a translation group act to the affine space

3. Euclid structure upon the translation vector space.

4. Galileo structure upon the affine space

Each step imply some physical presuppositions:

1. point: time point and space point.

Just a point is undistinguishable.

2. there is a distance between two different points.

How to know the distance? or how to describe the distance?

There are four forms of distance: the time distance at the same space points; the time distance at different space points; the space distance at the same time point; the space distance at different time points.

To measure these forms of distance, we have to induct some physical presuppositions:

the time distance at the same space point: translation invariant of time.

->the time distance at different space points: simultaneity.

->the space distance at the same time point: rigid body.

->the space distance at different time points: …

3. there is the property of direction in space and time.

We can ask a question: what does direction means? Just like distance, since we can’t consider a space event or a time event at present, we have to consider other occurrences that embody the direction of space or time.


Let’s study the distance and the direction from a simplest occurrence: a point x(x, t_1), and a point y(y. t_2).

x . . y

we say “at the time point t_1, we find a particle is at the space point x, at the time point t_2, we find the same particle is at the space point y, if we can identify they are the same”.

or, we can describe the same occurrence as “a particle move from x to y”. then, this is become a typical physical occurrence! Means that we can definite the direction of time and space in such a occurrence, furthermore, we can ask the first physical question: how the particle move from x to y?

Just experiences can answer it!

If the time and the space satisfy our primary rational number describe on them, then we can use interpolation to detect the process of the particle movement: Let’s repeat that occurrence, but add a screen to isolate x and y absolutely, and drilling a hole z on the screen, no matter where is z, when the occurrence is repeat successfully, we can claim that the point z is an intermediate occurrence between x and y. This is been required by our basic causality.

x . | z . y

From this experience, we get Newtonian mechanics and quantum mechanics respectively when we use bullet and photon to realize such a occurrence.


4. reference system

realization

5. velocity and acceleration

The velocity is the derivative of space over time.

The acceleration is the derivative of velocity over time.

momentum and force :: the conservation of momentum

As Newton’s second definition, momentum is used to measure the movement property of object, and as the fourth definition of Newton, the force is used to describe the cause of the movement of object.

the conservation of energy :: kinetic energy and potential energy

why Newton is right?

1.2 General Mechanics

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