物理之学,大者有整套的理论体系如严谨缜密的经典力学和四面透风的量子力学,小者有单个的概念和物理量。包含多个物理量以及常数的公式居中,起着承上启下的作用。公式是一门高度压缩的语言,压缩意味着信息的丢失,关于一个公式的具体的、全部的涵义可能要放到大的物理和数学语境中才能理解透彻。物理学的公式是数学表达式,但承载着更多关于我们对物理问题认识方面的内容,包括物理图像、因果关系、量纲等等。
物理公式的某个正确表达形式,其等价的数学表示却可能是荒唐的,这一点学物理者不可不知。即便是数学里的公式,其代表的图像或者关切的对象可能也是物理的、现实的。我们接触到的各种公式,其表述形式是由对数学、物理理解到不同层面的人给出的,或者是在不同的形态发展时期被固定下来的,因此难免有是否恰当的问题。
恰当性是赫兹为事物之物理图像所设立的考察标准“permissibility,correctness,and appropriateness(允许、正确、恰当)”之最后一项。如果以赫兹的批判眼光考察一些我们常见的公式,会发现它们多少有些不合适的地方,如果不是错误的话。不恰当可能意味着物理图像的歪曲。这么说并非危言耸听。爱因斯坦的质能关系是二十世纪的符号。
这个关系常见的解释为“The mass is equivalent to energy(质量和能量是等价的)”,这和爱因斯坦所说的“The inertial mass of matter is a measure of its energy content(物质的惯性质量是其能量内涵的测度)”,这两种理解就很不一样。这种对质能关系的理解歧义自然会反映到公式表述上。
1989 年,Okun 教授就在一篇文章中考考读者:关于质能关系,下面四个写法E =mc2 , E =m0c2 , E0 =mc2 , E0 =m0c2 中哪个表达是物理上合理的?首先,在现代物理体系内,惯性质量是基本粒子的特征,Poincaré群表示的特征,因此是个内禀的参数,并不随运动速度改变。这就是说没有什么静止质量m0 和相对论质量m=m0/√(1 - v2 /c2)的区别。
就一个有惯性质量m的粒子其能量内涵的测度来说,公式E0 =mc2 是合适的。对于运动粒子, 其能量满足关系式E2 - p2c2 = m2c4 , 可得E = mc2/√(1 - v2 /c2)。当人们谈论质能转化过程中的质能关系时,类似ΔE = Δmc2 形式的表述可能才是合适的。
本文将分析几个重要的数学物理公式的表达式,包括牛顿积分公式、欧拉多面体公式、傅里叶级数表达式、狭义相对论速度相加公式和(质能转换语境下的)质能关系,等等。这些公式的常见表达为大家所熟知,但依然可能存在一些不恰当的地方,包括信息缺失、不能推广、容易造成歧义或者误导,以及缺乏可操作性,等等。