第19章 真正的“物理学”-《学霸的模拟器系统》


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    但很快,他的笔尖停住了。

    在列出运动的微分方程后,林允宁发现,因为摆长 l是变量,方程里既有θ,又有 l的一阶和二阶导数。

    一展开,就是含时系数的二阶线性常微分方程,一个他从未见过的巨大怪物。

    “硬算!”

    他咬了咬牙,决定用最原始的武器战斗到底。

    他开始尝试微元近似,将摆的运动拆解成无数个微小的、摆长近似不变的简谐振动片段,再试图将这些片段用积分强行缝合起来。

    草稿纸很快就被密密麻麻的计算过程所填满。

    时间一分一秒地过去。

    吴建波在一旁看得心惊肉跳,他看着林允宁草稿纸上那密密麻麻的微分方程,内心焦急万分:

    “疯了……这小子真是个疯子!他想用牛顿定律硬解!他这是要把自己往积分的泥潭里拖啊!可是……这思路,倒也不是完全不可行……”

    但此时陈正平不说话,他也不好评论,只能眼睁睁看着林允宁的额角渗出了细密的汗珠,草稿纸被一次次划掉,新的方程又被写上。

    那片小小的纸面,已经变成了一片乱麻,如同在泥潭里反复挣扎过的战场。

    十分钟后,林允宁才满头大汗地停下笔,得出了一个极其复杂的、带着积分号的近似解。

    他将自己的思路大致和陈正平说了一遍。

    屏幕那头,陈正平听完,露出了赞许的笑容:

    “师弟,思路很强!能想到两步近似,小角度和绝热,还能用牛顿力学硬扛下来,你的基本功和数学能力,比我当初可强得太多了,非常了不起!”

    他先是给予了充分的肯定,随即话锋一转,提出了一个致命的问题:

    “但是,你有没有想过,你这条路,虽然能走到终点,但走得太辛苦了。

    “牛顿力学是把双刃剑,它给了我们最基础的武器,但也容易让我们陷入计算的泥潭。你刚才花了十分钟,把所有精力都用在了‘解方程’上,对吗?”

    林允宁下意识地点头。

    “那我们换个问题,”

    陈正平的声音带着一丝引导性,“虽然这个系统的能量不守恒,但在这个‘缓慢变化’的过程中,会不会有某个别的物理量,是近似守恒的?物理学家最喜欢玩的游戏,就是在混乱中寻找秩序,也就是寻找‘不变量’。”

    不等林允宁回答,他继续深入:

    “你有没有想过,把问题从‘三维空间’里,搬到‘相空间’里去看?把能量E和频率ω看成这个系统最重要的两个参数,它们之间,会不会有什么隐藏的简单关系?”

    他切换了共享屏幕,用手写板写下的解题过程。

    “在哈密顿力学框架下看这个问题,同样只要做两步近似:小角度与绝热。这时它就是一个缓慢变频的简谐振子。把问题转化到‘相空间’里,计算它作用量的环路积分∮pdq,于是作用量 J =(1/2π)∮pdq,立刻就能给出一个简单的尺度关系。

    “E /ω= const(常量),这里ω(t)= sqrt(g / l(t))。

    “看懂了吗?在分析力学里,这个不变量叫‘绝热不变量’。

    “对于一个缓变谐振子,能量与频率之比,守恒。”

    那一刻,林允宁感觉自己的大脑像是被一颗子弹精准地击中了。

    他呆呆地看着屏幕上那行简洁到优雅的公式,再低头看看自己草稿纸上那如同在泥潭里摔跤般的计算过程,沉默了。

    这不是“会不会”的问题。

    这是两种截然不同的“语言”。

    对方用的是精确、优雅的、能描述物理本质的“官方语言”;
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