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  • 1 # 敏明哦子敏敏

    補充說明:

    問題中出現的胡克定律中的勁度係數k不是一個常量,而是一個與彈簧本身有關的變數,它與第二定律及其推廣的向心力公式中的慣性質量是差不多的東西。

    所以胡克定律中沒有任何帶有量綱的常量。

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    所有帶有量綱的常數,實際上都代表了不同單位之間的轉換關係,如果單位定義到極致,物理公式中實際上不應該出現任何帶有量綱的常數。

    牛頓第二定律說 這裡沒有比例常數,原因就是,我們把1牛頓定義為了1 ,如果我們定義1kg的物體在赤道0經度海平面受到的重力為一千克力,那麼第二定律顯然要加一個常數k,大概是0.1

    為了行文簡便,顯然我們傾向於使用牛頓而不是千克力這個單位,因為這樣第二定律要簡單一點。

    實際上我們很多時候都需要為了物理公式簡潔而讓大量的常數變成1,這其中不少是有歷史發展的,最著名的就是熱量單位卡路里,它定義為一標準大氣壓下1g4攝氏度的水溫度升高一度吸收的熱量, 。

    現在我們知道熱量實際上是透過熱傳遞轉移的內能,它當然應該同能量有共同的單位,但古人不知道,甚至把它當作一種物質。雖然現在物理學已經把這個單位廢掉,但很多其他學科還在使用,比如營養學,甚至其中出現“一種食物含有多少卡路里的熱量”這種物理上看非常不正確的說法,但別人不是物理學你管不著,我就不說含有多少焦耳化學能咋滴!

    甚至,前沿物理裡面,我們就連溫度的單位也不打算用開爾文,而是直接上能量單位電子伏特,仔細想想溫度不過就是分子的平均動能,顯然應該用能量的單位啊!

    聯絡溫度和分子動能的常量就是著名的玻爾茲曼常量

    看到沒有,這個常量把能量單位焦耳和溫度單位開爾文聯絡起來了。那麼如果我們強制令玻爾茲曼常量為1,會得到:

    這個和上面卡路里和焦耳的關係何等相似!

    推而廣之,我們可以讓很多常量都變成1,如光速c=1,這意味著:

    這隻有把時間和空間一體化時才有用,否則為什麼要讓時空用同一個單位?顯然這是一個相對論的trick。

    到了量子力學,我們要讓能量同圓頻率等同,動量與波矢等同,角動量無量綱化,顯然要讓約化普朗克常數取1,這實際上宣佈了頻率單位(時間單位的倒數)與能量單位的關係。

    我們看看國際單位的基本量,它們是長度,時間,質量,電流,溫度,物質的量和發光強度。首先我們扔掉髮光強度這個過於依賴人眼的量,現代科學大部分實驗根本不是人眼觀察的,討論一個依據人眼感受的光強並不顯得有意義,用電磁波的能流密度代替即可;然後物質的量和粒子數並無物理本質的區別,我們完全可以把阿伏伽德羅常數和mol等同起來,所以mol與其說是個單位,不如是個數量記號,而且它也只有把宏觀與微觀聯絡的力量對物理實質並無意義。

    這樣物理上有意義的基本量實際上只有:長度、時間、質量、電流、溫度。他們的單位分別是:米、秒、千克、安培和開爾文。然後我們給出5個物理學常數:萬有引力常數G,光速c,約化普朗克常數 ,真空的磁導率 ,以及玻爾茲曼常數k。(真空的介電常數和磁導率滿足 ,從而並不是獨立的,它和庫倫定律常量的關係是 。)

    我們每把這個五個常數中的一個取為1,都實際上廢除了5個物理學基本量中的一個的獨立性,現在一般的手段是把G以外的取為1,這樣只剩下一個獨立的量,也就是質量,當然由於速度已經無量綱,質量和能量用同一個單位,實際上最後剩下的單位就變成了能量單位eV。

    如果我們把G也取為1,那麼所有的物理量將都沒有單位,這意味著什麼了,一個物體的質量為1,是和什麼做比較?

    當然就是和這些常數組合出來的有同樣量綱的量做比較,這些量都被稱作普朗克XX:

    普朗克時間

    普朗克長度

    普朗克質量

    普朗克溫度

    其中普朗克電荷或者普朗克電流一般不提,因為我們傾向於把電子的電荷作為基本單位,把庫倫定律寫作:

    剛好這個比例常數 是無量綱的,大約為 。

    所以質量為1的意思就是質量等於1個普朗克質量。

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