睡前说:为何动力学都是关于对时间二阶导的?

这是很久以前就有人在争论和探索的话题了。
从牛顿力学开始,物理中的运动规律都是最多只关于对时间二阶导的,几乎不出现更高阶。
这个问题本身其实就蕴含了很多概念上的陷阱,比如说,f=ma,我两边对时间偏导,不就得到了三阶关系了么?
这个问题的解答涉及到到底什么是基本物理量与物理关系,这样的基础问题。
过了这关后,问题的答案在牛顿力学内很难有一个满意的答案,因为这个体系中,牛二是基础假设,而不是导出关系,对基础假设的追问一般都是形而上的,从而失去实证意义。

换个角度,从分析力学入手,那么牛顿力学是推导结果而不是基础物理关系。
这里,又可以分出拉氏力学和哈氏力学,两者通过勒让德变换彼此关联。

拉氏力学对作用量的变分为零的极值原理可以给出牛顿力学,但只能描述保守系统,比如空气阻力就无能为力了。
这里,二阶源自动能的表达,于是一切很自然。

哈氏力学不用极值原理,取而代之的是相空间轨道。这里二阶源自相空间结构,本质上不比牛二律好到哪里。

接下来继续追问:拉氏为什么要有极值原理,哈氏要有相空间结构?

拉氏的根源在量子路径积分:所有可能的路径统计下,极值路径为根本,别的路径为量子扰动,于是自然要求经典路径就是极值路径。

哈氏力学也可以从量子找到起源,于是相空间结构就是广义坐标对易关系的自然要求。

因此,经典物理长这个样,还真是由量子决定的啊。

那么,什么决定量子呢?这就是一个开放的基础问题了。

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