在这一章中,我们希望证明,在学习静电学的过程中你们已同时学习了怎样去处理物理学中的其他许多课题,而正是由于这一点,我们才有可能在有限的岁月里学习几乎全部物理学。
可是,当这样的讨论结束时肯定会浮现出一个问题:为什么从不同现象所得到的微分方程竟会如此相似呢 ?我们也许会说:“那是自然界的基本统一性。”但这指的到底是什么呢?这样一个命题本来能 具有什么意义?简而言之,它意味着不同现象有着彼此相似的方程组,当然这时我们还未给出任何解释。“基本统一性”也许指的是,任何东西都由同一种材料构成,因而便应服从同样的方程。这听起来是一个完满的解释,但让我们深思一下,静电势、中子扩散、热流——是否确实在与同一种材料打交道?我们能否真的想象出那静电势在物理上 全同于温度,或全同于粒子密度?肯定的是,ϕ不会恰好 与粒子的热能相同 ;鼓膜的位移肯定不 像温度。既然这样,为什么还会有“一种基本统一性”呢?
事实上,对各种不同科目的物理学加以更密切的考察就会证实,那些方程式并非真的全同。对于中子扩散所找到的方程只是一种近似。当我们观察的距离比自由程大时,以上近似才有效。如果更细致地进行观察,便会看到各个中子正在各处跑动。各个中子的运动,肯定完全不同于我们从微分方程解出的那种连续光滑的变化。该微分方程只是一种近似,因为我们曾经假定中子在空间 是连续分布的。
是否这 就是关键所在?是否一切现象所共有的东西就是空间 ,即藉以建立物理学的一种构架?只要东西在空间里相当平滑,那么所牵涉到的重要事情就将是某些量相对于空间中位置的变化率。这就是为什么我们总是获得一个有梯度存在的方程。微商必定 以梯度或散度的形式出现;由于物理定律与方向无关 ,所以它们必然表示成矢量的形式。静电学方程组就是人们所能获得的、仅含有各个量的空间微商的、最简单的矢量方程组,任何其他简单 问题——或复杂问题的简化——看起来都应当像静电学那样。所有问题的共同点是:它们全都涉及到空间 ,以及我们总是用简单的微分方程来模拟 实际的复杂现象。
由此引导到另一个有趣问题。这同样的讲法对静电学 方程组是否也可能是对的呢?它们是否也只有作为实际上复杂得多的微观世界的一种理想化的模拟才是正确的呢?客观(物质)世界是否可能由一些仅在极 微小距离上才能看得见的X子组成的呢?而在测量过程中我们是否可能总是在那么大的尺度上进行观察,以致不能见到这些小X子、这才是所以会得到那些微分方程的根由?
现在最完整的电动力学理论,的确会在十分短的距离上碰到困难。因此,在原则上这些方程可能是某些事情的理想化模型。它们在小至约10-14 cm的距离上仍显示正确,但此后就开始显得不对了。可能会有某种迄今还未被发现的内部“机制”,而这种内部复杂性的一些细节被表面上看来理想的那些方程隐藏起来了——正如在那种“理想”的中子扩散现象中一样。但还没有人系统地提出过克服那种困难的成功理论。
相当奇怪的是:事实表明(基于我们完全不清楚的原因),相对论和量子力学按照我们所知的方式结合起来,似乎已不允许 有一个基本上不同于式(12.4)的方程,而同时又不会引起某种矛盾的那种发明。不仅仅是与实验不符合,而且还是一种内部矛盾 。例如:对所有可能会发生的各种情况的概率之和不等于1,或能量有时可能会出现为复数的那种预言,或其他与此类似的某种荒谬设想。迄今还没有人能够创立一种电学理论,使得在其中▽2 ϕ=-ρ/∈0 被理解成对深一层机制的一种理想化近似,而又不会最终引导到某一种谬论上去。然而,还必须补充说明:若假定▽2 ϕ=-ρ/∈0 在所有不论多么小的距离上都正确,则会导致它本身的荒谬(一个电子的电能为无限大)——即迄今还没有谁懂得怎样摆脱这些谬论的影响。
[1] 这里两处“长度L”,在原书中都作“单位长度”,我们作了改正。——译者注
[2] 原书式中少了κ。——译者注
[3] 由于我们所谈的是关于非相干 光源,它们的强度 就总是线性地相加,因此模拟的电荷将始终带有相同符号。并且,我们的模拟仅适用于到达一块不透明面上的光能,因而在我们的积分中只需计入照射于该面上的光源(自然不包括该面下面的其他光源)。