第29章 物理的验尸报告
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第29章 物理的验尸报告

    上午高数,下午普物。
    过去五年的每一个下午,江临都在被力学、热学、电磁学折磨。
    可是,物理这东西,一旦往深了走,底层的骨架全都是数学。
    前几年高数没啃透的时候,他看普物就像是隔著一层毛玻璃。
    遇到微分方程,只能半猜半背。
    遇到多重积分算转动惯量或者电通量,就算得磕磕绊绊,很多时候知其然而不知其所以然。
    遇到曲线积分、曲面积分,更是像看见一群穿著白大褂的鬼,明明每个符號都认识,连在一起却只剩下压迫感。
    他靠著第三次废土那九年打磨出来的硬抗精神,把那些带微积分的物理推导囫圇吞枣地咽了下去。
    咽是咽下去了。
    但消化得並不好。
    很多东西,前几年只是硬塞进脑子里的。
    就像一个饿了很久的人,面对一桌菜,不管能不能嚼烂,先拼命往胃里吞。
    能活下来就不错了,哪还顾得上什么口感,什么营养结构,什么消化吸收。
    现在,高等数学第一阶段闭环。
    那些曾经横亘在物理公式里的数学路障,似乎终於到了可以亲手拆平的时候了。
    所以,今天所谓的验尸,验的不是新鲜出炉的未知。
    他要用已经基本成型的微积分手术刀,把他这五年里生吞活剥学下来的大学物理,从头到尾解剖一遍。
    看看哪里长了真肉,哪里只是虚胖。
    哪里当初靠背诵矇混过关,哪里其实从一开始就没真正理解。
    江临打开一號硬碟,点开【02普通物理】的文件夹。
    里面静静地躺著几本不同版本的经典力学教材,有国內通用的《力学》,也有伯克利物理学教程的第一卷。
    如果有人问高三的江临,物理哪一部分学得最好?
    【写到这里我希望读者记一下我们域名????????????.??????】
    他一定会毫不犹豫地回答:运动学和牛顿力学。
    那可是他在江城一模里拿下满分100分的底气所在。
    什么匀加速直线运动,什么平拋斜拋,什么圆周运动。
    只要给他一个初始速度,一个受力情况,他脑子里的三维沙盘瞬间就能跑出物体的完整轨跡。
    什么公式套什么模型,早就在刷了成千上万道题后变成了肌肉记忆。
    但大学课本的开篇,没有那种为了解题而总结的套路公式。
    只有两行乾巴巴的定义。
    【速度 v=dr/dt】
    【加速度 a=dv/dt=d2r/dt2】
    江临回想起自己五年前,在废土的石屋里第一次看到这两个式子时的心情。
    那时候他满脑子高中数理思维,只觉得大学教材是在装腔作势。
    速度不就是位移改变量除以时间吗?
    用高中那个大写的三角形Δ不就行了,非要搞成微积分的极限形式,简直像是把一句人话翻译成了外星文。
    但经歷了五年高等数学毒打的江临,今天再看这两个式子,鸡皮疙瘩一下子就出来了。
    一种吃了人参果般的通透感,顺著脊椎骨一路往上爬。
    高中物理,一直是在一个被人工精心修剪过的温室里打转。
    为什么高中题目里,汽车总是做匀加速运动?
    为什么平拋运动里,重力加速度永远是个常数 g?
    为什么从来不考虑空气阻力隨速度变化?
    为什么所有力都那么听话,不是恆定,就是线性,要么乾脆给你一个图像,让你用面积凑答案?
    因为一旦加速度发生变化,一旦力隨著时间、位置或者速度不断改变,高中生手里那套用Δ拼凑出来的代数公式,就完全歇菜了。
    高中物理假装世界是线性的,是匀速的,是常量构成的。
    但真实世界从来不讲这种规矩。
    一阵风颳过,风力是隨时在变的。
    一辆车踩下油门,发动机的输出功率是隨转速在变的。
    甚至连重力,在火箭升空的过程中,也会隨著高度发生变化。
    面对这个每时每刻都在发生非线性变化的世界,高中的那套工具,就像是一把塑料玩具铲子。
    而现在,摆在江临面前的,是一台重型挖掘机。
    【速度 v=dr/dt】
    这就是他花了大量时间才啃下来的导数。
    导数不是我现在在哪里。
    导数是我正在怎样离开现在。
    不管你的运动有多复杂,不管你的轨跡拐了多少个弯,只要你把时间切得足够碎,碎到趋近於零的那个瞬间,位置的变化率就是速度,速度的变化率就是加速度。
    这才是真正的物理描述。
    江临翻到下一页。
    牛顿运动定律。
    高中课本上,牛顿第二定律白纸黑字写得明明白白,f=ma。
    物体的加速度和它受到的合外力成正比,和它的质量成反比。
    江临在lcd擦写板上顺手写下f=ma,然后盯著它看。
    这五年里,他无数次地重新认识这个公式。
    大学课本毫不留情地把高中的窗户纸捅破了。
    牛顿第二定律更一般的表述,是物体动量对时间的变化率等於作用在物体上的合外力。
    即:f=dp/dt。
    如果物体质量恆定,p=mv。
    那么f=d(mv)/dt=m(dv/dt)=ma。
    高中课本里那个被无数学生奉为铁律的f=ma,本质上是质量不变这个前提下的简化形式。
    江临看著这一行推导,心里忽然浮起一种很复杂的感觉。
    高中物理没有骗他。
    但高中物理確实隱藏了大量前提。
    就像老师在黑板上写下一座桥,却没有告诉你,这座桥下面其实还有密密麻麻的桥墩。
    桥看起来很简单。
    但要真想知道它为什么不塌,就必须钻到桥底下去看结构。
    他下意识想把p=mv里的m也当成变量,直接展开成:
    f=m(dv/dt)+v(dm/dt)。
    笔尖刚写到一半,江临又停住了。
    他盯著那一行式子看了很久,然后用指甲在lcd板上轻轻划了一下,把后半截抹掉。
    “不对。”
    他低声说。
    变质量问题不能这么偷懒。
    火箭不是一个单纯质量会变的质点。
    火箭喷出的燃气带著动量离开系统,本体和喷气之间存在动量交换。真要严谨处理,就必须把火箭和喷出的燃气一起看成一个系统,再去算动量守恆和动量通量。
    高中阶段之所以很少碰火箭,不是因为物理学解决不了,而是因为那已经不再是简单的f=ma。
    它背后通向的是变质量系统,通向的是齐奥尔科夫斯基火箭方程,通向的是工程力学和推进理论。
    江临没有继续往下展开。
    他还没到那个层次。
    但他已经知道,自己不能再像前几年那样,看到一个公式就急著套,套出一个看似漂亮的结果就沾沾自喜。
    物理学不是符號游戏。
    每一个公式都有边界。
    每一个简化都有代价。
    他忽然意识到,自己过去几年最危险的地方,不是不懂公式。
    而是太急著相信公式。
    公式不是咒语。
    公式只是一份契约,必须先看清它签订时写下的条件。
    这就是他和五年前最大的不同。
    五年前的他,只想知道答案。
    现在的他,开始知道什么地方不能乱答。
    “这才是真正的物理引擎。”
    江临低声说。
    接下来的几天,江临像是一个苛刻的法医,一头扎进了力学的深渊里。
    有了高数这把锋利的手术刀,以前那些卡著他脖子的难点,现在迎刃而解。
    变力做功?
    以前只能算恆力,或者算 f-x 图像里的梯形面积。
    现在直接上定积分。
    w=∫f(x)dx。
    哪怕力隨著位置变出花来,积分號一罩,也能一点一点把它剖开。
    保守力与势能的关係?
    以前死记硬背重力做正功势能减少,弹力做正功弹性势能减少。
    现在他明白,势能的负梯度就是保守力。
    f=-?ep。
    一个求偏导的算符,就把力和能量的底层逻辑扣得严丝合缝。
    他甚至在草稿板上,用微分方程,行云流水地推导了一遍空气阻力下的落体运动。
    这可是他前几年半懂不懂的顽疾。
    假设空气阻力与速度成正比,f=-kv。
    物体的运动方程就是:
    mg-kv=m(dv/dt)。
    这是一个典型的一阶线性常微分方程。
    如果高数没学好,看到这个方程只能干瞪眼。
    但现在的江临,熟练地分离变量,两边积分。
    dv/(mg-kv)=dt/m。
    推导过程在lcd板上飞速流淌,没有任何滯涩。
    很快,他得出了速度隨时间变化的函数解析式。
    v(t)=(mg/k)[1-e^(-kt/m)]。
    当t趋近於无穷大时,e的负无穷次方趋近於零。
    那么极限速度:
    vmax=mg/k。
    这当然不是所有落体的通用模型。
    江临很快在旁边补了一句:低速,小尺度,黏滯阻力近似。
    真正的雨滴,碎石,子弹,在空气中高速运动时,阻力往往更接近速度平方项。
    但这不妨碍这个模型成为他理解终端速度的第一把钥匙。
    物理学不是把一个公式套遍天下,而是先判断这个公式能不能用。
    “痛快!”
    江临靠在石椅上,长长地呼出一口气。
    高等数学不再是一堆为了折磨人而存在的抽象符號,它们变成了最锋利的刀,切开物理现象的表皮,把里面的血肉和骨骼清清楚楚地挑出来给他看。
    数学是语言。
    物理是故事。
    他以前一直是在听別人用蹩脚的翻译讲故事。
    今天,他终於能毫无障碍地阅读原著了。
    这种感觉简直让人沉迷。
    不知不觉,废土那暗红色的太阳已经沉了下去。
    石屋里的光线暗得看不太清字。
    静极思动的江临推开木门,走了出去。
    冷空气灌进肺里,让他发热的大脑稍微清醒了一些。
    他裹紧保军大衣,走到自己那两百平方米的农田边。
    土豆已经收了一大半,地里还剩下一部分晚熟的品种。
    黄豆的秸秆在风中摇晃,发出细碎的沙沙声。
    他蹲到田埂上,看著眼前这片黑暗中的荒原。
    以前他看风,就只是风。
    看沙,就只是沙。
    但今晚,当风裹挟著沙尘从乾涸的河床那边呼啸而过时,江临不仅仅听到了风的声音,还看到了动量的传递。
    风给了沙子速度。
    沙子在空气阻力的作用下做变加速运动,最终撞击在墙面上。
    在极短的时间dt內,沙子把动量dp交给墙壁,產生了衝击力f。
    这就是为什么废土的墙体会被风化成那样。
    无数的沙子,无数个微小的dp/dt,在漫长的岁月里,像无数把看不见的微型刻刀,硬生生把坚硬的混凝土切削得千疮百孔。
    世界没有变。
    废土还是那个荒凉、死寂、充满酸雨和毒素的地方。
    他江临不再是一个只能被动承受环境折磨的受害者,终於可以用物理学的眼光,去解构这个世界。
    接下来的时间里,江临完全陷入了这种疯狂的验尸和重构之中。
    力学復盘完毕后,他杀向刚体力学。
    这又是一个把高中生拒之门外的领域。
    高中物理只研究质点,把所有物体都看成一个有质量但没有体积的点。
    可现实中,物体是有形状的,是会旋转的。
    转动惯量,角动量,力矩。
    前几年他在这里吃尽了苦头。
    转动惯量 i 不是一个简单的常数,它和物体的形状、质量分布以及转轴的位置息息相关。
    以前他遇到算转动惯量的题,都是直接翻书查表,记住圆盘是1/2mr2,圆球是2/5mr2。
    现在?
    江临把书上的表格全部扔到一边。
    算一个均匀圆盘的转动惯量?
    他熟练地列出极坐標下的二重积分,积分变量从0到 r,角度从0到 2π,一层一层地往外积。
    算圆锥体的转动惯量?
    他直接上三重积分,体积元dv在柱坐標系下展开,计算过程如同切菜一样乾脆利落。
    他第一次真切地感受到,高等数学里那些繁琐的重积分技巧,在这里变成了最实用的算盘。
    每一次积分的成功,都意味著他准確地把握住了一个物体在空间中的质量分布。
    第六年的春天。
    废土难得下了一场不大不小的雨。
    酸雨落在石屋的屋顶上,顺著排水沟流进蓄水坑里,发出滴答滴答的声响。
    江临没有出去干活。
    他坐在石桌前,正在对付普通物理里的另一座大山。
    振动与波。
    高中讲简谐振动,就是掛个弹簧,拉一下,让它来回弹。
    公式是:x=acos(wt+φ)。
    至於这个公式怎么来的,高中老师往往神秘一笑。
    “大家记住就行了,高考不考推导。”
    江临现在可以自己推导了。
    弹簧振子,恢復力f=-kx。
    根据牛顿第二定律:
    m(d2x/dt2)=-kx。
    整理一下:
    d2x/dt2+(k/m)x=0。
    这是一个典型的二阶常係数齐次线性微分方程。
    他在高等数学里学过怎么解这个方程,求特徵方程,求复数根,再套入欧拉公式。
    推导到最后一步,那个高中老师让死记硬背的余弦公式,自然而然地从笔尖流淌出来。
    不仅如此,他还加入了阻尼。
    真实的废土是有空气阻力的,弹簧不可能永远振动下去。
    加上阻尼项-γ(dx/dt)后,方程变成了:
    m(d2x/dt2)+γ(dx/dt)+kx=0。
    以前他看到这个方程觉得头大如斗。
    现在他熟练地写出特徵方程,求解。
    根据阻尼係数的不同,他清清楚楚地看到了三种完全不同的物理图像。
    欠阻尼:复数根。物体一边来回振动,幅度一边呈现指数衰减。
    过阻尼:两个不相等的实数根。物体连一次振动都无法完成,像陷入了泥沼一样,慢吞吞地回到平衡位置。
    临界阻尼:两个相等的实数根。物体以最快的速度回到平衡位置,且不发生震盪。
    江临盯著这三种解的数学图像,略一思索。
    这不就是汽车减震器的原理吗?
    如果减震器是欠阻尼,车过个坑就会上下顛个不停。
    如果是过阻尼,减震太硬,车身恢復太慢,坐在里面的人会难受死。
    当然,真正的汽车悬架不会粗暴地追求数学意义上的临界阻尼。
    舒適性、抓地力、车身姿態、弹簧刚度、轮胎反馈,全都要折中。
    但至少在这一刻,江临第一次看见了:数学方程里的实根和復根,真的会变成现实世界里人的顛簸、眩晕和安全感。
    江临想了想,在草稿本上写下一行。
    【数学方程里的实根和復根,决定了现实世界里汽车的舒適度。】
    物理和现实的壁垒,在他面前又碎了一块。
    这场难得的春雨连绵了几天终於停歇。
    江临揉了揉发酸的眼睛,合上电脑。
    刚推导完简谐振动的方程,他脑子里那根关于振动的弦还在嗡嗡作响。
    纸上得来终觉浅。
    物理学不是数学,数学可以关在屋子里纯靠逻辑推演,但物理学是一门实验科学。
    它必须经得起现实测量检验。
    江临推开木门,走到石头屋外面。
    废土的空气依然乾燥,夹杂著些许淡淡的铁锈味。
    暗红色的荒原在灰濛濛的天空下无限延伸,几段残破的承重墙像被时间遗忘的巨大骨架,静静地佇立在地平线上。
    江临弯下腰,从地上捡起一块暗红色的碎石,在手里掂了掂,然后用力朝远处扔了出去。
    碎石在空中划过一道拋物线,砸在几十米外的硬土上,溅起一小圈灰尘。
    江临的视线顺著那道拋物线落向地面。
    不知怎么的,他脑子里突然蹦出一个很基础,在这个世界里却异常重要的问题。
    “这块石头掉下来的加速度,是多少?”
    在现实世界,任何一个高中生都知道,重力加速度 g 的標准值约为 9.8m/s2。
    但他现在不在地球。
    他处在一个距离地球不知道多少光年的星球,或者乾脆就不在同一个维度的平行世界里。
    如果这个星球的质量比地球大很多,或者半径完全不同。
    再退一万步讲,如果这个宇宙的万有引力常数g根本就不是现实世界里的那个数值呢?
    江临背后突然冒出一层冷汗。
    他带进来的五个硬碟里,装满了人类文明积累下来的物理学结晶。
    他每天像个苦行僧一样在石头屋里推导公式。
    可如果这片废土的底层物理规律和地球不一样,那他学的这一整套普通物理学,在这里岂不是一堆废纸?
    这就像是拿著一本写满地球象棋规则的棋谱,跑去下废土的围棋。
    满盘皆输。
    “必须测一下。”
    江临转身冲回石头屋。
    纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。
    他学了那么久的物理,不能总停留在草稿板上的纸上谈兵。
    翻开背包,从最底层的杂物袋里找出一卷尼龙伞绳。
    这种绳子是户外专用的,韧性极好,延展性相对较小。
    接著,他找出一把捲尺。
    测量重力加速度,在简陋条件下误差相对较小的方法,就是单摆实验。
    江临拿著工兵铲,跑到营地西侧的废墟里,翻找了將近半个小时,终於在一个倒塌的混凝土柱子下面,敲下来一块比拳头略小,密度非常大且形状相对圆滑的金属矿石。
    “就你了。”
    “当摆锤正合適。”
    回到石头屋,江临开始搭建他的简易物理装置。
    外面风大,会產生严重的空气阻力干扰,实验最好在室內进行。
    好在现在的石头屋被他扩建到了十五平米,高度也有两米多,空间足够。
    他搬来石块垫脚,把尼龙伞绳的一端牢牢绑在屋顶那一排作为承重梁的粗钢筋上。
    绳子的另一端,他用绳结將矿石绑紧。
    接著用捲尺小心翼翼地测量长度。
    从钢筋的悬掛点,一直拉到矿石的重心位置。
    “98.5厘米,不行,凑个整数好算。”
    他微微调整绳结,反覆测量了三次,確保悬点到重心的距离l,精確地控制在1.00米附近。
    至於秒表,江临拿出旧手机,打开秒表app。
    “呼,准备就绪。”
    江临站在石桌旁,深吸了一口气。
    单摆周期公式他早就烂熟於心:
    t=2π√(l/g)。
    周期 t 等於2乘以圆周率π,再乘以摆长 l 除以重力加速度g的平方根。
    反推过来,只要他测出摆动周期t,就能算出这颗废土星球的重力加速度:
    g=4π2l/t2。
    江临手轻轻拉起那块金属矿石。
    为了满足简谐运动的近似条件,摆角不能太大,他估算了一下,把拉开的角度控制在5度以內。
    他没有站在最低点计数。
    最低点固然容易观察,但摆锤每一次经过最低点,间隔只有半个周期。
    如果把每次经过最低点都当成一次完整振动,算出来的数据会直接错掉一倍。
    所以他选择了更笨也更稳的方法。
    从左侧释放点开始计时。
    他最开始想从左侧最高点计时,但很快又否定了这个办法。
    最高点看似好认,可摆锤在那里速度最慢,人眼判断反而容易犹豫。
    最稳的方法,是盯住摆锤同向通过最低点的瞬间。
    每一次从左向右穿过最低点,才算一个完整周期。
    “三、二、一,放。”
    金属矿石在重力的拉扯下,划出一道微小的弧线,向下坠落,越过最低点,然后向右侧盪去,到达最高点后,再次折返。
    一来一回。
    回到左侧。
    这才是一次完整的全振动。
    江临的眼睛紧紧盯著摆锤每次回到最低点的瞬间,精神高度集中。
    “二十八。”
    “二十九。”
    “三十。”
    当摆锤第30次回到最低点时,江临果断按下停止键。
    他看了一眼屏幕上的数字:
    60.25秒。
    除以30,平均每一次完整摆动的周期 t 大约是2.008秒。
    江临知道孤证不立的道理,没有急著计算。
    他活动了一下有些僵硬的肩膀,再次拉起摆锤。
    同样的动作,他连续做了五组。
    五组数据分別是:
    60.25秒。
    60.18秒。
    60.31秒。
    60.22秒。
    60.28秒。
    把这五组数据加起来求平均值,30次完整振动的平均时间是60.248秒。
    那么单次振动的周期:
    t=2.0083秒。
    拿到数据后,江临把矿石隨手放在地上,转身一屁股坐回石桌前,抓起lcd可擦写板。
    开始计算。
    l=1.00米。
    t=2.0083秒。
    π取3.14159。
    g=(4x3.141592x1.00)/(2.00832)。
    g≈39.4784/4.0333。
    g≈9.788m/s2。
    江临盯著这个数字看了很久,隨后又把后面的几位小数划掉。
    不能写得太漂亮。
    捲尺不够精密,绳子会有微小伸长,矿石不是理想质点,悬点也不是无摩擦,手机秒表还带著人的反应误差。
    在这种实验条件下,写出9.788这种数字,不叫严谨。
    那叫假精確。
    他最后只在记录本上写下。
    【g≈9.79m/s2,误差约在百分之一量级。】
    这个结果,可以说和地球的重力加速度高度一致。
    江临看著板子上的数字,感觉后背升起一股奇异的酥麻感。
    这股酥麻感顺著脊椎直衝后脑勺,让他忍不住打了个寒颤。
    这种震撼,远比做对一百道物理题来得强烈。
    他站起身,再次走到门外。
    看著满地的红土,看著远处灰黑色的废墟,看著乾涸的河床。
    这里的风景和地球完全不同。
    这里没有生机,空气里飘著硫磺味,天空永远是暗红色的。
    但在这一刻,江临觉得这片荒原变得无比亲切。
    “至少在这个尺度上,重力很像地球。”
    他说得很慢。
    他没有再像前几年那样,急著把一句话推到无限远。
    一次简陋的单摆实验,只能说明本地重力加速度接近地球。
    它不能证明这个世界的一切物理常数都和地球完全相同。
    更不能证明整个宇宙的底层规律没有任何差异。
    但这已经足够重要了。
    苹果在这里,至少会以近似9.8米每二次方秒的加速度砸下来。
    这意味著他硬碟里的绝大多数经典力学知识,在这里依然可以使用。
    这意味著废土再怎么荒凉,再怎么神秘,它也不是一个由魔法或者怪力乱神隨意支配的奇幻空间。
    它是一个可以被测量的世界。
    只要可以测量,就可以比较。
    只要可以比较,就可以建模。
    只要可以建模,就可以认知。
    这是江临在废土上做的第一个真正意义上的物理实验。
    简陋而又粗糙。
    但他第一次真正理解了,为什么大学的《普通物理学》会把实验与测量放在如此重要的位置。
    物理学不是从黑板上的公式里变出来的。
    它是从对真实世界的测量中生长出来的。
    每一次测量,即使带著巨大的误差,也是人类在试图用理性的语言,去和宇宙进行对话。
    他在自己的纸质笔记本上,珍重地翻开新的一页,在顶端写下四个字。
    【废土实验】。
    他把单摆实验的时间、地点、使用材料、原始数据、计算过程,以及误差分析,详详细细地记录了下来。
    在这一页的最下方,他写下了这样一段作为总结的话。
    【第四次废土歷第六年,测定本地重力加速度约为9.79m/s2。】
    【误差较大,但足以说明:在本地地表附近,重力加速度与地球接近。】
    【结合此前长期生活经验,低速宏观尺度下的经典力学模型,暂可继续使用。】
    写完这几句,江临把笔放下。
    他看了很久。
    然后轻轻吐出一口气。
    之后,江临进入热学部分的验尸。
    这部分他在高中学得最糊涂。
    什么理想气体状態方程。
    什么热力学第一定律。
    什么內能,什么温度,什么压强。
    高中的时候,他一直不明白,为什么宏观的气体压强和温度,能用几个简单的字母组合起来。
    前几年在废土,他学到这里也是囫圇吞枣。
    但大学物理把统计力学的大门向他敞开后,一切都不一样了。
    压强是什么?
    不是一个抽象概念。
    而是无数个微观气体分子,像无头苍蝇一样疯狂撞击容器壁,传递动量之后產生的宏观平均效果。
    温度是什么?
    是大量气体分子无规则热运动平均动能的標誌。
    江临在lcd板上画了一个巨大的方盒子,里面画了无数个代表气体分子的小圆点。
    他顺著教材的思路,从一个单分子的碰撞开始算起。
    算它撞击墙壁交出的动量。
    算它在两面墙之间往返的时间。
    然后引入概率密度函数,用微积分把无数个分子的碰撞效果叠加起来。
    推导到最后,那个熟悉的状態方程赫然出现在纸上。
    江临停下笔,感觉脑子有点发热。
    他从微观的单个粒子运动,利用统计规律和微积分,硬生生推导出了宏观的压强。
    宏观与微观,在统计规律的桥樑上完成了会师。
    这就是物理学的魅力。
    用最基础的微观假设,推演出整个宏观世界的表现。
    但真正让江临沉默下来的,不是理想气体状態方程。
    而是热力学第二定律。
    熵。
    这个字第一次出现在教材上时,他只觉得抽象,觉得它像某种为了折磨学生而发明出来的概念。
    可当他真正读懂“孤立系统的熵不会自发减少”时,江临忽然抬起头,看向石屋外那片荒原。
    废土就是熵增。
    墙体会风化,钢铁会锈蚀,木头会腐烂,沟渠会淤塞,农田会板结,秩序会在风沙、酸雨、冷热循环和时间里一点点散掉。
    他过去几年做的所有事情,本质上都是反过来。
    把散乱的石头垒成墙。
    把贫瘠的土壤筛成田。
    把腐烂的植物残体沤成肥。
    把流失的水引进蓄水坑。
    把杂乱无章的生活,整理成一套可以重复运行的生存系统。
    他一直以为自己是在种地,在修屋,在求生。
    直到这一刻他才明白,自己是在一个巨大的熵增荒原里,拼命製造一小块局部低熵区。
    而代价,是太阳能,是食物,是体力,是工具磨损,是时间,是他一次又一次把更大的无序排到外界。
    他並没有战胜热力学第二定律。
    他只是像所有生命一样,借著能量流过自身的短暂过程,在宇宙的混乱里,勉强维持出一点点秩序。
    这是他在废土的第六年秋天。
    力学、振动与波、热学的几座山头,已经被他用微积分和统计学的工兵铲,铲得平平整整。
    但江临没有急著欢呼。
    因为普通物理还有最后,也是最硬的一块骨头。
    电磁学。
    这天下午,江临结束了农田的工作,带著一身泥尘回到石屋。
    他洗了把脸,翻开电磁学教材的验尸篇。
    库仑定律,电场,高斯定理,电势。
    这些名词高三做题天天见。
    但在大学物理里,它们换了一身更为复杂的行头。
    高中算电场,都是算点电荷,或者无限大的均匀带电平板。
    大学算电场,算的是一根带电直线,一个带电圆环,一个带电半球壳。
    到处都是积分。
    要用微积分的思想,把带电体切成无数个无穷小的电荷元 dq,然后算每一个 dq 產生的微小电场 de,最后沿著物体的几何形状进行积分。
    如果是线电荷,就用线积分。
    如果是面电荷,就用面积分。
    如果是体电荷,就用体积分。
    前几年,江临在多元积分这一块没少吃苦头,算电场分布简直像上刑。
    但现在,他在高等数学里苦练了很久的重积分和曲线曲面积分,在这里终於迎来了最爽快的输出。
    他花了整整一个星期,把各种奇形怪状的带电体的电场分布和电势分布,用积分算得明明白白。
    然后,他碰到了那个让他心跳加速的东西。
    麦克斯韦方程组的积分形式。
    这组被誉为人类歷史上最优美的公式,静静地印在书页上。
    电场的高斯定理。
    磁场的高斯定理。
    法拉第电磁感应定律。
    安培-麦克斯韦定律。
    四个方程,囊括了宇宙中所有宏观电磁现象的奥秘。
    但真正让他头皮发麻的,是教材后面那句轻描淡写的话。
    利用高斯公式和斯托克斯公式,可以把麦克斯韦方程组从积分形式改写成微分形式。
    穿过闭合曲面的通量,变成空间中每一点的散度。
    沿闭合曲线的环量,变成曲面上每一点的旋度。
    江临盯著散度和旋度两个词看了很久。
    他忽然意识到,电磁学不是在研究几个电荷之间隔空推拉。
    它真正研究的,是整个空间本身如何被源改写,又如何在每一个局部点上响应这种改写。
    这让江临想起了自己在第三次废土里,为了搞懂电磁感应的楞次定律,在帐篷里画了整整一天的受力分析图。
    那时候他觉得电和磁是两种截然不同的东西,只是偶尔会互相影响。
    但麦克斯韦方程组用最冷峻的数学语言告诉他。
    电场和磁场,根本就是同一枚硬幣的正反面。
    变化的电场產生磁场。
    变化的磁场產生电场。
    它们在真空中交替激发,互相拥抱,然后以光速向外传播。
    这就是电磁波。
    这就是光。
    江临猛地转头,看向石屋那扇方形小窗外。
    暗红色的夕阳光芒正斜斜地洒在石桌上。
    这跨越了不知道多少光年,穿透了废土厚重的云层和悬浮微粒,最终落在石屋地面上的光芒,本质上就是电场和磁场在空间中的交响乐。
    他坐在石桌前,久久没有动弹。
    物理学的浪漫,在这一刻达到了顶峰。
    它不是写在诗句里的风花雪月。
    它是用最严谨的数学符號,写下宇宙运行的底层秩序。
    第六年的冬季。
    废土迎来了第一轮寒潮。
    江临在火塘边烤著火,暂时合上了电磁学教材。
    这具庞大而复杂的物理学尸体,经过他耗时將近一年的反覆解剖验证,终於被他验出了第一层骨架。
    那些以前靠生吞活剥记住的公式,现在大多都有了坚实的微积分底座。
    他拿出时间胶囊的记录本,在最新的一页郑重地写下。
    【普通物理学,微积分主干,第一轮验尸完毕。】
    写完这句话后,江临本能地想在后面补上一句。
    【所有数学逻辑已打通。】
    可是笔尖刚落到纸上,他又停住,想了想,把笔放下,重新打开电脑。
    点开振动与波那一册教材的后半部分。
    那里有一节內容,他却始终没有吃透。
    多自由度系统。
    两个弹簧振子耦合在一起。
    三个质量块连成一排。
    甚至一整串原子在晶格里振动。
    单个振子的时候,他可以写出一个二阶微分方程,然后用高等数学里的方法把它解开。
    可一旦振子变成两个,三个,乃至无数个,方程就不再是一条线。
    而是一张网。
    每一个变量都牵著另一个变量。
    每一个自由度都在和其他自由度互相纠缠。
    他试著从最简单的两个质量块写起。
    左边的质量块有位移x?,右边的质量块有位x?,中间一根弹簧把它们拴在一起。
    方程很快写出来了。
    可问题也立刻出现了。
    第一个方程里不只有x?,还有x?。
    第二个方程里也不只有x?,还有x?。
    两个自由度像两根打湿的线,互相缠在一起。
    他当然可以用代入法硬消。
    硬算不是不行。
    可教材没有这么做。
    教材把它们写成了矩阵。
    然后告诉他,真正要找的,不是某一个质量块此刻在哪里,而是整个系统天然愿意怎样振动。
    矩阵,特徵值,特徵向量,简正模式。
    江临盯著那些词看了很久。
    他明明已经看懂了每一个微分符號。
    明明已经知道弹簧的恢復力从哪里来。
    明明已经能推导单个振子的运动方程。
    可是当两个振子耦合在一起时,他忽然发现,自己不会看这个系统了。
    不是不会算某一道题,而是不会从结构上理解它。
    书上说,要把耦合方程写成矩阵形式。
    书上说,要寻找系统的本徵频率。
    书上说,每一个特徵向量,对应一种简正模式。
    这些字单独拆开,他都认识。
    连在一起,却像一堵厚重的墙,冷冰冰地横在他面前。
    江临忽然意识到,高等数学给了他一把锋利的刀。
    这把刀可以切开连续变化的血肉。
    可以处理速度,加速度,变力做功,电场分布,热运动统计。
    可是物理学真正往深处走,靠的不只是变化。
    还要看见结构。
    一个系统里有多少个自由度。
    这些自由度如何耦合。
    怎样把混在一起的运动分解成彼此独立的模式。
    怎样从一堆纠缠的方程里,找出真正支配系统行为的骨架。
    那副骨架,不叫微积分。
    那副骨架,叫线性代数。
    江临低头,看著时间胶囊记录本上那句刚写下的话。
    【普通物理学,微积分主干,第一轮验尸完毕。】
    他的確没有资格再往后加所有数学逻辑已打通。
    因为前方还有一具更深的骨架,正安静地躺在黑暗里,等著他去开棺。
    江临沉默片刻,在那一页的最下方,又补了一行字。
    【下一阶段:线性代数。】
    【目標:理解多自由度系统、矩阵方程、特徵值、特徵向量与简正模式。】
    写完最后一个字,他合上记录本。
    石屋外,废土的寒风掠过荒原,捲起细碎的沙尘。
    石屋內,火塘里的光映在他的脸上,明明灭灭。
    江临看著电脑屏幕上那一串陌生又熟悉的词。
    他忽然笑了一下。
    高等数学啃了几年,微积分终於內化成了工具。
    可当他真正要往普通物理的深处走时,很快就撞上了下一堵墙。
    没有线性代数,他连多自由度系统的振动都只能硬算。
    根本谈不上理解。

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