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年, 莫培丢在讨论物体的运动问题时,又进一步证实并推广了最小作用量原理。对于物体的 运动, 他把作用量定义为 mvl(其中 m 是物体的质量、v 是运动速度和 l 是通过的路径长度)。 在莫培丢看来, 这是一个最具普遍性的原理, 它适用于宇宙间一切物体的运动。当然,莫培 丢关于作用量的定义 mvl 是不准确的。文献综述
2。3 作用量的概念
最小作用量原理经历了从一种感性的、直觉性的认识到精确的数学表述,其中作用量的 形式尤为重要,在前面我们也提到莱布尼兹考虑了自然现象中的“ 作用量” 的概念, 并假 定它代表一个精确的科学概念。从前文中我们已经知道最小作用量原理具有普适性,在各个 物理领域中都发挥着重要作用,那么“作用量”到底是什么呢?
最开始人们根据一些自然现象提出作用量,在不同的领域作用量代表的“概念”都不一 样。经过很多科学家的验证,作用量在热力学中代表着熵,在动力学中代表着动能,在光学 中代表着光程等。随着时代的进步,科学理论也在不断发展,科学家们在研究守恒律和对称 性时发现了它们和最小作用量原理的关系。1918 年,著名的“诺特定理”被 E·诺特提出了, 由此通过数学形式表达“作用量”成为了可能。简而言之,就是通过守恒、对称与最小作用 量的关系经过一系列推导,最后写出作用量函数,这种方法进而发展成为了规范场论。
最初人们认识作用量的方式有很多,这里我们从一个简单的例子入手:
如图 2。6:一个落水者(图中 D 点)向岸边的人求救, 假设恰好有一个会游泳的路人(图 中 C 点)在此时经过,看到此情景后准备施救,救人者此时往往有两个选择:
1、从 C 点出发,在 A 点下水,沿直线到达落水者 D 点;
2、从 C 点出发,在 B 点下水,选取游泳距离最短的路径到达落水者 D 点。 那么,这两种路径有什么区别呢?
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根据常识,我们的目标是尽快将人救上来,那么救人者到达 D 点花的时间越短越好。在 这个问题上,我们判断不同路径的优劣是根据耗费的“时间”,因此这里的最小“作用量”便 是“时间”。那么为什么“作用量”不是最短的路程呢?最短路程不等于最短时间么?
一般来说,落水者早一秒钟被救起危险就少一分,跟施救的方式肯定没关系,因此这里 应该选“时间”作为作用量。救人者从 C 点出发到达落水点 D 有很多路径,他可以从岸边任 何位置下水,不同的是,游泳的速率远小于跑步的速率。为了更快到达 D 点,救人者需要尽 可能少地游泳,即应该选取离落水者最近的岸边 B 下水,然后再游到落水点。因此在这个时 候,这个最小的量是时间,反观距离最短的直线路径话的时间更长。从而通过最小作用量原 理(这里可看作时间最短原理),得到了唯一一条救援路径。
相信通过上面的介绍,我们已经初步有了作用量的概念,并且从实际例子中得出了唯一 一条路径,满足时间最小原理。在这里很明显我们得出的作用量是时间,那么,推广到其他 领域作用量又是什么呢?
在经典力学中,作用量可以看做是从空间的一点到达另一点所花费的代价,而自然界要 求,我们的这个代价要最小。经过拉格朗日及后人的研究,我们确定了这个量拉氏量 L 在时 间上的积分,