數論人生

數論是一門學科,也是我的人生。有人把酒論英雄,我用數字描天下。
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自然界裏的常數

(2022-01-09 09:37:23) 下一個

我們說自然界裏一切事物都在不停地變化著,有什麽不變的東西嗎?放之四海而皆準的公理?人類有法律條文,自然界有變化規律;這些規律都是用相關變量的冪次的比例關係來表示的。變量自然在變,但是,它們之間的關聯係數卻是恒定不變的。

最基本的一個關係是,圓的周長與直徑成正比:當直徑延長一倍時,周長也延長一倍;不信的話,你就去實際量一下。這個比例係數就是圓周率Pi (希臘字母π或Π,與英文字母P同位置,皆為字母表中第16個字母) ;它是一個無理數,即無限不循環小數。中國古代的數學家祖衝之把它算到了小數點後6、7位,現代的計算機可以算到幾百萬位。這裏是小數點後一千位,毫無規律可循:

pi = 3.1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679 8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128 4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 5493038196 4428810975 6659334461 2847564823 3786783165 2712019091 4564856692 3460348610 4543266482 1339360726 0249141273 7245870066 0631558817 4881520920 9628292540 9171536436 7892590360 0113305305 4882046652 1384146951 9415116094 3305727036 5759591953 0921861173 8193261179 3105118548 0744623799 6274956735 1885752724 8912279381 8301194912 9833673362 4406566430 8602139494 6395224737 1907021798 6094370277 0539217176 2931767523 8467481846 7669405132 0005681271 4526356082 7785771342 7577896091 7363717872 1468440901 2249534301 4654958537 1050792279 6892589235 4201995611 2129021960 8640344181 5981362977 4771309960 5187072113 4999999837 2978049951 0597317328 1609631859 5024459455 3469083026 4252230825 3344685035 2619311881 7101000313 7838752886 5875332083 8142061717 7669147303 5982534904 2875546873 1159562863 8823537875 9375195778 1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989

數學中有五個基本常數:0, 1, i, e, π,幾乎可以生成所有常數。橢圓的麵積與其長、短半軸成正比,比例係數還是Pi;可惜,橢圓的周長卻沒有一個簡單的初等函數表達式,即使再引進第六個常數也不行。實際上,數學中是沒有常數的!實數的個數是連續的,是不可能用一組有限個數表出的。你可以用簡單的冪次構成任何可數的級數,甚至不可數的級數,就算是積分式子也都無法表達。

還有一點,數量都被看成是與時刻無關的;而物理量則不然。你測到的一個比例常數,跟你的後代所測到的同一個比例常數,肯定是不一樣的。隻是人的生命太短,與無盡的自然無法相比,也就近似地當成常數了;這與測量儀器的精度無關。

眼下的幾個物理基本常數是:(1)光在真空中的速度c = 299 792 458 米/秒(愛因斯坦假設此數值與時刻無關);(2)萬有引力常數,G = 6.6743015×10^(-11) (國際標準單位),(3)真空中的電介質常數K = 8.987551 × 10^9;(4)真空磁導率μ = 4π×10^(-7)(5)理想氣體常數R = 8.31446261815324;(6)Planck常數6.62607004 ×10^(-34) m^2kg/s(一個量子的能量與其頻率之比).

為什麽會有這些常數?這是由我們所處的宇宙(一個時空)所決定的;在別的宇宙裏,所測得的數值肯定是不相同的。愛因斯坦是假設光的運動不是相對的,才推出相對論原理的;如果在比例係數中加入時間的考量,那麽,物體之間的相互作用力的表達式就要改寫。這才是一個大一統的物理世界。

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評論
jw2009 回複 悄悄話 愛因斯坦是假設光的運動不是相對的,才推出相對論原理的
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這話對又不對。
嚴格地說,狹義相對論隻需要一條假設,那就是伽利略的相對性原理。
隻要認定這條原理,認定它不僅適用於力學現象,也適用於電磁學現象,其結果就是:
不僅力學的 F=MA 在所有慣性坐標係協變,而且麥克斯韋方程組在所有慣性坐標係中也應該協變,也就是麥克斯韋方程組中的C必須是常數!

伽利略是個十分偉大的物理學家,後人沒有給予他應有的榮譽。
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