我是物理系學生,但是我接受不了各種數學近似,怎麼辦?
更新于:2025-04-12 09:08:12

Physics is all about approximations:這是我給研究生上課的時候,講的一條“principle”。

再買一送一,我再給你課上的第二條“原則”。如下圖所示:世上有兩類物理學家,一類認為一切皆是自旋,另一類認為一切皆是振子。這兩個原則的合理使用,可以讓我們在處理各種未知物理現象的時候,總能有跡可循,並形成自己的taste。

當我們從基本方程出發的時候,我們常常認為基本方程有嚴格解,這件事兒是“嚴格的”。但是基本方程,比如F=ma, Maxwell,薛定諤或者Dirac等方程,儘管可以解釋萬事萬物,但是萬事萬物的豐富性和複雜性,卻不是“嚴格解”給出來的。反而是“基本方程”+“合適的近似”,才給了我們萬事萬物。這個近似,不是我們的“拐杖”,而是我們的“脊骨”。正是這個“近似”才會得到一個物理現象,因為近似,讓我們看見主要矛盾,忽略其次因素,從而感受到普遍的物理規律,發現真正的物理現象。而真正的物理現象,恰恰綁定著一個“強的近似”!

更激進一點來說,我們可以認為“基本方程”本身也是一種近似。比如我們從相對論力學蛻化到非相對論的牛頓力學,從相對論的Dirac方程到非相對論的薛定諤方程。甚至我們從最小作用量原理推導Euler-Lagrange方程時也是丟掉很多很多項,比如表面項等。那麼最小作用量原理( \delta S=0 )是否就是最基本的方程呢?完全不是。有兩個原因:第一,作用量S的構造是非常任意的,注意它不是說”隨意“,而是說作用量的構造是一種”藝術“,是一種物理的考量。第二,為什麼作用量只取一條trajectory呢?我們可以構造一個path integral把所有的軌跡的共享都考慮進去呀?這個時候 \delta S=0 ,只是給了最大的貢獻罷,其他 \delta S\neq 0 的貢獻就是經典力學”近似過程中的犧牲品“。

當然,嚴格解是有意義的,第一它是一種愛好,也可以催生新的數學表示。然後我的看法是,嚴格解的意義是為了讓我們理解不同近似之間的相通之處,理解不同物理之間的相同之處。

最後,我相信不會近似的數學家,不是好的物理學家。千萬不要迷戀嚴格解,這並不是數學,數學也是一種”近似“。然後我這話是不對的,我並不從事數學研究,這種泛化的看法,純粹是一種偏見。

但我堅持己見!