線性與非線性
物理學(xué)最初的發(fā)展是研究局部區(qū)域的平穩(wěn)運動。因此,它用以表述運動狀態(tài)的函數(shù),通常采用線性函數(shù)。線性函數(shù)的優(yōu)點是:數(shù)學(xué)上,滿足疊加原理并易于求出表述可逆狀態(tài)的雅可比行列式而給出的函數(shù)形式簡單且易于求解;而從物理上看,它給出的解簡單,物理意義明確,易于在測量不精確的情況下與觀測直接對照。但隨著觀測精度的提高,或者研究運動狀態(tài)的擴大,就發(fā)現(xiàn)對物理體系的線性表述雖然有不少優(yōu)點,特別是對近似研究或初學(xué)者而言更是具有簡單從而易于理解的優(yōu)勢,但令人遺憾的是,人們往往忘記了線性表述的近似性,而把它當(dāng)作了物理學(xué)的全部,甚至把線性化要求視為正確物理理論的必要條件。
然而自然界中,大量的事件往往是突發(fā)的和不可逆的。從宇宙大爆炸,到星系的碰撞和爆炸,恒星的各類爆發(fā)(新星、Ⅰ、Ⅱ型超新星的爆發(fā))。恒星的星震、磁暴以及地球上的地震和火山爆發(fā),都是不連續(xù)和突發(fā)性的。
而人類對大自然的觀測表明:表象上的質(zhì)的變化或“突變”,往往是通過某些參量的連續(xù)變化而出現(xiàn)的。即使在宏觀過程中,連續(xù)的參量變化,往往并不總是導(dǎo)致運動的連續(xù)過程,確實存在這樣一些情況:當(dāng)某些參量在特定條件下的極小變化會導(dǎo)致宏觀物理體系狀態(tài)的根本變化。但常常把這些情況當(dāng)作 “例外”而不加研究。并認為,只有穩(wěn)定的平衡才能在自然界中找到,不穩(wěn)定的平衡將由于小的擾動而瓦解。于是人們往往更有興趣去研究 “穩(wěn)定平衡態(tài)”而忽視了對不穩(wěn)定態(tài)及臨界態(tài)的研究,這當(dāng)然是由于兩方面的原因,一方面確實大量的容易觀測到的是穩(wěn)定平衡態(tài),因此它自然引起人們的興趣。另一方面則是處理方法的不足。一個是大量出現(xiàn)有容易處理的現(xiàn)成方法,一是不大量出現(xiàn)又無現(xiàn)存的方法,當(dāng)然大量工作集中于前者了。但從理論上說穩(wěn)定平衡是少數(shù)的,大量是不穩(wěn)定的。因為一個體系如果有n個參量,所謂穩(wěn)態(tài)必須是每個參量處于某種理想狀態(tài),它只是一種可能,而n個參量中任一參量變化都會破壞這種穩(wěn)定平衡,因此出現(xiàn)的機會是n,所以人們提出“好事易脆”原理。當(dāng)然這里也有個時標問題,當(dāng)一個平衡態(tài)破壞,體系很快會過渡到另一個穩(wěn)定平衡態(tài),而往往過渡時標遠遠小于穩(wěn)定態(tài)的 “壽命”,因此大量觀測到的是穩(wěn)定態(tài)。但天體本身的時標是以億年為單位計算,因此它的突變時間即使很短,但對人類來說卻是很可觀的時間,如超新星爆發(fā),能持續(xù)數(shù)月的光變甚至一兩年,而超新星遺跡則停留更長的時間,這說明對于天文上,那些宇觀的 “短暫”過程不容忽略。但人們往往借助于微觀的量子過程來處理宇觀的不連續(xù)的突發(fā)過程。如像黑洞的研究或宇宙論中的一些激變過程。
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