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理想化与非理想化的物理

已有 1988 次阅读 2020-12-2 19:58 |个人分类:科技理论研究|系统分类:观点评述

关于物理,其实其也分理想化与非理想化的物理。比如电子学中的一些现象,理想化数学中描述的电子波形有方波、三角波、脉冲波和梯形波等之分,但严格意义上讲,真实世界中只存在梯形波,理想化数学中的这些波形在非理想化的实际世界中都是梯形波。此外,理想化数学中电容电感都是用纯虚数来描述的,但其实所有的电容电感都是有阻抗值的,因此真实计量中还需要使用实数描述之。

具体讲来,比如理想化的方波的波形角度是90度,波形台阶信号阶跃的速度若为无穷快,零秒信号即可从低电平抬升到高电平,但其实任何真实的信号改变过程都有速度,速度再快,哪怕是快到几纳秒或几飞秒,也非无穷快的零秒。三角波与此类似,信号从低电平上升到最高点以后,总要保持一段时间,哪怕是极短的一瞬间,但也不是零秒就下降。脉冲波之信号持续过程也不是零秒。其实,由于存在过冲等问题,连理想化的梯形波都不存在,当然那就更加非理想化了。

可以推广一下,无穷快、无穷小甚至无穷大都是理论中的理想化,真实世界中这些都是不存在的事情。在非理想化的真实世界中,连100%的方形、圆形、三角形物体都不存在,不相信可拿螺旋测微计、游标卡尺甚至电子显微镜、隧道显微镜测量观察一下,看看是不是这样。虽然在数学经典理论中,没有最小的小数(可以无限接近零),没有最大的数字,无理数的小数位有无限多位。但这些在真实的物理世界都是无法实现的。真实的世界是非理想化的,往往是有最小单位和最大范围的。理想化的对称也是不存在的,起码说不可能有对称到两边原子数目一样多的物体。非理想化的不对称才是现实世界的真正特征。

事物的变化速度体现在数学上,就是曲线变化的斜率。许多理想曲线其变化斜率是无穷大的,而这在现实世界中是不存在的,任何真实曲线其变化曲线斜率数值都是有限的。也即是说任何变化的速率都是有限大的。正由于没有无限快的变化速度,因此任何现实世界中的变化曲线,其斜率都是有限大的。

至于电容电感的有功功耗问题,那则是由于电子导通流动碰撞造成的损耗形成的。任何非超导材料通电都会有电能损耗,因此理想化的无损纯虚数电容电感才成为了不存在的事物。类似的问题在真实世界中还有很多!这些问题或许在不需要太精准描述的一般情况下确实不太严重,但一旦到了需要精准量化的极端情况时就必须处理了。

综上所述,理想化的物理模型在真实世界中往往不能准确的描述各种现象,因为其只是一个近似的理论,只在纯理想化情况下成立。但若必须考虑非理性化情况时,则就不成立了……。有时或只有使用非理想化的物理模型,所描述的状况才能接近真实的世界。说起来,非理想化的物理系统一样是某些组合,其只是更加接近真实的组合而已,同时其组合种类存在的可能性仍为有限多。



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1 檀成龙

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