牛顿力学的困境:双摆难题 (片段 00:00~00:51) 字幕翻译 这个看似很简单的双摆模型实际上一点都不简单宏观物体如果不遵守类似光线的最短时间路径的话那应该遵守哪一条路径呢如果你没学过拉格朗日力学只用牛顿力学分析那你写满三页纸都算不出两个摇摆小球的受力情况因为牛顿力学更适用于简单的受力分析比如单摆运动以及自由落体运动稍微复杂一点的双摆运动牛顿力学分析起来会特别麻烦牛顿力学侧重于分析位移速度加速度力等矢量之间的关系并且在受力分析时需要引入虚拟力实现逻辑上的自洽对于双球摆动问题虽然只有两个小球但每个小球都是运动的上面小球受三个力下面小球受两个力一共五个力其中有三个力都是变化的在双麦系统中小球的起始位置稍微不同就会导致小球出现完全不同的路径如果你用牛顿力学来分析每个小球的受力情况那计算量将大到让你崩溃 💡 拉格朗日登场:最小作用量原理 (片段 00:51~01:45) 字幕翻译 为了解决这一问题意大利裔法国数学家拉格朗日另辟蹊径他认为在分析物体受力情况压根就不需要了解每一步的细节只需要知道物体运动的所有可能路径然后找到其中作用量取极值的运动路径即可这就是最小作用量原理早在1662年费马就提出费马原理认为光线总是沿着时间最短的路径运动比如在真空中光线只有沿直线运动才是用时最短的路径在平面反射中只有反射角等于入射角光线所需的时间才是最短的当光进入介质时由于速度会减慢这就导致光线尽可能在介质中少走路程于是折射角就会通过小于入射角的形式让光线尽量少在介质中运动从而实现路径上的最短时间然而牛顿却认为光线的这种最短时间路径并不适用于宏观物体的运动所以这时候拉格朗日就难崩了宏观物体如果不遵守类似光线的最短时间路径的话那应该遵守哪一条路径呢 ✨ 能量视角:拉格朗日力学的核心 (片段 01:45~03:06) 字幕翻译 于是拉格朗日想到了用能量解释物体运动的所有路径我们知道物体都有能量而能量可以拆分成两大类一个是势能一个是动能物体的势能和动能总是在相互变化而物体的不同运动路径本质上也就是动能和势能的差值的不同这个差值就是动能减去势能也就是拉格朗日量现在我们将一块石头运动路径的所有拉格朗日量全部列出来这块石头从A点到B点可能会有无数个路径如果用牛顿力学分析的话那就需要引入很多虚拟力但这些虚拟力并不做功引入的虚拟力越多计算只会越麻烦抱着如无必要勿增实体的理念拉格朗日力学就会摒弃复杂而繁琐的受力分析要列出物体的运动方程只需要找到一条拉格朗日量最小的路径即可这就有点类似费马原理中的最短时间路径牛顿力学一般使用的是三维坐标其中XYZ3个维度可以是任何物理量而在拉格朗日力学中我们用广义坐标其中维度用自由度代替比如对于单摆问题它就只有一个自由度这个自由度就是摆绳与垂直方向的夹角所以就可以用一维的坐标轴表示这个自由度即便是双白小球也只有两个自由度只需用二维坐标轴表示即可在牛顿力学中如果要对单白小球进行受力分析需要描述它每时每刻的运动状态而在拉格朗日力学中我们会看到小球不同时刻之间的所有路径只需找到最小路径即可这就极大地简化了对物体运动规律的描述 🚀 超越牛顿:适用经典与量子 (片段 03:06~03:31) 字幕翻译 拉格朗日力学的本质是绕过受力分析从能量的角度描述物体的运动而在量子力学中微观粒子的运动轨迹是随机的所以牛顿力学不可能对微观粒子进行受力分析但拉格朗日力学通过能量变化的角度就能描述微观粒子的运动所以拉格朗日力学不仅适用于经典力学也同样适用于量子力学所以说拉格朗日力学是比牛顿力学更实用更强大的数学工具

视频信息