物理群星
约瑟夫-路易·拉格朗日 肖像

图:佚名版画(公有领域)

约瑟夫-路易·拉格朗日

Joseph-Louis Lagrange

1736–1813 · 生于撒丁王国都灵 · 意大利 → 法国

力学数学物理

一本没有一张插图的力学著作,把牛顿的几何换成了代数

「在这本书里读者找不到任何图形。我所阐述的方法既不需要作图,也不需要几何或力学上的推理,只需要按统一而规则的步骤进行代数运算。」

—— 《分析力学》(1788)前言,据法文原文意译

1788 年,《分析力学》在巴黎出版。作者在前言里写了一句在当时近乎挑衅的话:这本书里读者找不到任何图形。

牛顿的《原理》是用几何写的,满纸圆锥曲线与相似三角形,读者必须跟着作图想象。拉格朗日说,这些都不必要——力学可以完全变成代数运算,按统一而规则的步骤推进。

十九岁写给欧拉的信

拉格朗日生在都灵,家里本来富裕,父亲投机失败后败光了家产。他后来说,如果家里有钱,他大概不会去搞数学。

1755 年,十九岁的他写信给欧拉,提出了处理变分问题的一个全新方法——不用几何论证,而是引入一个纯形式的算子(他记作 δ)。欧拉读后大为赞赏,并且做了一件相当罕见的事:把自己已经准备好的相关论文压下不发,好让这个年轻人先发表。

同一年,拉格朗日被聘为都灵炮兵学校的教授。

把力学变成代数

《分析力学》的核心是一个视角转换。

牛顿力学处理一个问题时,要先画出所有的力,包括约束力——绳子的张力、轨道的支持力。这些力往往不是我们关心的,却必须先算出来。坐标系一换,整套方程要重写。

拉格朗日的做法是:先写下体系的动能减势能,记作 L;再把它对广义坐标和广义速度求导,代入一条固定的方程。约束力自动消失,因为它们不做功;坐标可以任选——角度、弧长、任何方便的量,方程的形式不变。

一个双摆用牛顿方法要处理两根杆的张力和复杂的几何关系,用拉格朗日方法只需写出两个角度表示的动能与势能,剩下是机械的求导。

这套方法的适用范围远超力学。它后来被推广到电磁场、相对论、量子场论——今天写下一个新理论,标准做法就是先写出它的拉格朗日量。粒子物理的标准模型,本质上就是一个拉格朗日量。

更深的一层

《分析力学》背后还藏着一个更本质的说法:最小作用量原理。

真实的运动路径不是被力「推」出来的,而是在所有可能的路径中使某个积分(作用量)取极值的那一条。这听起来带着目的论的味道,当时确实引起过哲学争论。

但它成了物理学最深的表述方式之一。诺特 1918 年证明,作用量的每一种连续对称性都对应一条守恒律;费曼 1948 年的路径积分把它推到极致——量子力学里粒子确实走遍所有路径,每条贡献一个 eiS/ℏe^{iS/\hbar} 的相位,经典路径之所以突出,是因为它附近的相位相干叠加。

大革命中的度量衡

1787 年拉格朗日迁居巴黎。此后是法国大革命,恐怖时期他的朋友拉瓦锡被送上断头台——据说拉格朗日为此说过:砍掉这颗头颅只需一瞬,而长出一颗同样的头颅或许要一百年。

他本人受到保护,并被任命为度量衡委员会主席,主持公制的制定。今天的米和千克出自那个委员会,而十进制的坚持有他一份——有人主张分成十二份以便整除,他反对,理由是统一比方便更重要。

1799 年拿破仑封他为伯爵,称他是数学科学高耸的金字塔。1813 年他去世,葬入先贤祠。

代表方程

欧拉-拉格朗日方程

ddt ⁣(∂L∂q˙)−∂L∂q=0\frac{d}{dt}\!\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{q}}\right) - \frac{\partial L}{\partial q} = 0

只要写出拉格朗日量 L(动能减势能),力学问题就变成机械的求导。用什么坐标都行——角度、弧长、任何方便的量,方程形式不变。牛顿力学里最麻烦的约束力,在这里根本不出现。

作用量与最小作用量原理

S=∫t1t2L dt,δS=0S = \int_{t_1}^{t_2} L\,dt,\qquad \delta S = 0

真实的运动路径使作用量取极值。这个说法后来一路通到量子力学——费曼的路径积分正是让所有路径按相位因子 eiS/ℏe^{iS/\hbar} 相加。

伟大发现

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这些发现页把他列为关键人物。