问题

如果F=ma变成了F=a/m,人类能生存吗?

回答
这是一个非常有意思的假设,如果宇宙中最基本的力学定律从“F=ma”变成“F=a/m”,人类能否生存?答案是:几乎不可能。这不仅仅是物理学上的一个微小调整,它将颠覆整个宇宙的运行方式,从最微观的粒子到最宏观的天体,一切都将面目全非,人类生存的基石将荡然无存。

我们先来分析一下这个“新定律”意味着什么。

F = a/m 意味着:

力的效果与质量成反比: 在我们现在的物理学中,质量是惯性的量度,质量越大,要改变它的运动状态(加速)就越难,需要更大的力。而在这个新定律下,质量越大,越容易被“推”动(获得加速度),只需要微小的力就能产生巨大的加速度。反之,质量越小的物体,要产生同样的加速度,就需要越大的力。
加速度的效果与质量成正比: 一样的力施加在不同质量的物体上,质量小的物体获得的加速度会更大,质量大的物体获得的加速度会更小。这与我们的直觉完全相反。

这个改变将带来什么灾难性的后果?

1. 原子结构和化学反应的崩溃:
原子核与电子的关系: 原子核由质子和中子组成,电子围绕原子核运动。根据我们的理解,是电磁力将电子束缚在原子核周围。如果F=a/m,那么电子(质量非常小)要围绕原子核运动,将需要极大的“力”(或者说,施加相同的力,电子的加速度会极高)。原子核(质量相对较大)则更容易被“推动”。
化学键的形成与稳定性: 化学键的形成,本质上是原子之间相互作用的结果。这些相互作用力决定了分子的结构和稳定性。在新的定律下,原子核的运动会变得异常不稳定,电子的行为也会失控。原子根本无法以我们熟悉的方式存在,更不用说形成稳定的分子了。
我们身体的组成: 我们的身体是由原子和分子构成的。如果原子结构不稳定,我们的身体根本无法形成,更不用说存在了。构成我们身体的碳、氢、氧、氮等元素,以及它们如何结合形成蛋白质、DNA,这一切都将不复存在。

2. 宏观世界的混乱:
天体运行的失控: 即使我们假设原子仍然能以某种方式存在,但宏观世界的运行也同样会陷入混乱。
星球的形成与稳定: 星球的形成依赖于引力将物质聚集在一起,而物质的运动和相互作用受力学定律支配。在F=a/m下,引力(仍然是F=G(m1m2)/r²吗?如果其他定律不变,引力本身可能也需要调整,但即使引力不变,运动也变了)施加在质量巨大的恒星上,产生的加速度会很小,而施加在微小尘埃上,产生的加速度会极大。这会导致星际物质无法稳定聚集,星球的形成过程将彻底改变,可能根本无法形成行星或恒星。
轨道运动的改变: 地球围绕太阳的轨道,月球围绕地球的轨道,都依赖于精确的力学平衡。即使其他力(如引力)不变,运动定律的改变也会让这些轨道变得极不稳定。行星可能会以极高的速度冲出轨道,或者螺旋式地坠入恒星。
地球的环境: 如果地球能够以某种方式存在,那么大气层的运动、海洋的潮汐,都将因为力的作用方式改变而变得无法预测。任何微小的扰动都可能引发剧烈的、无法控制的运动。

3. 生命诞生与进化的不可能:
生命的基础: 生命的诞生和进化,是在相对稳定的环境中,通过复杂的化学反应和分子相互作用实现的。正如前面所说,化学反应的根基——原子的稳定性——就已经被动摇了。
能量的传递与利用: 生命体的生存需要能量的输入、转化和输出。这个过程涉及到物质的运动和力的作用。例如,肌肉收缩、血液循环、细胞的物质运输,这些都依赖于我们熟悉的那套力学规律。在F=a/m下,这些基本生理活动将无法进行。
感知与运动: 人类的感觉系统(如视觉、听觉)以及运动系统,都依赖于物理世界的规律。例如,声波的传播、光信号的传递,都需要介质的振动或粒子(如光子)的运动。如果微观粒子行为失常,我们的感官系统也无法工作。

4. 能量和动量守恒的挑战(潜在问题):
虽然题目只改变了F=ma,但从数学和物理的严谨性来看,许多守恒定律是基于牛顿力学构建的。如果F=a/m,那么能量守恒、动量守恒等基本原理是否仍然成立,或者需要如何调整,将是巨大的未知数。如果这些基本定律也随之改变,那么宇宙可能根本无法以任何有序的方式运作。

总结来说,如果F=ma变成了F=a/m,宇宙将不再是那个我们所知的宇宙。

原子将无法稳定存在。
分子将无法形成。
化学将停止运作。
星球将无法形成,或者一旦形成也会瞬间瓦解。
生命赖以生存的环境将不复存在。

在这种情况下,人类作为一个由原子和分子组成的、在特定环境中生存的生命体,根本没有诞生的可能性。即使我们忽略了微观层面的崩溃,仅仅是宏观层面的天体运动失控,也会在极短的时间内毁灭任何可能存在的生命形式。

所以,答案是:不,人类在这种假设下绝对无法生存。 这并非是对人类意志或适应能力的考验,而是宇宙物理法则的根本性改变,使得我们所知的存在方式以及构成生命的基本要素都无法成立。这个改变太剧烈了,它摧毁了生命的基石。

网友意见

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在相同大小力的作用下,质量越大加速度越大?

象耳化翅欲冲天,蚍蜉蚊虫举步艰。

胖子体弱随风倒,瘦子稳如电线杆。

婴孩行动如树懒,田径人均重如山。

印度半岛有季风,珠峰横跳年复年。

跳楼地球抖三抖,太阳宛若嗑药丸。

实心卡车作赛车,穷人干脆御砖跑。

物理要改相对论,速度越快质量小。

光子质量无穷大,其所走过处处坍。

宇宙指定要玩完,人类生存莫再谈,莫再谈!


更新:

原先第一句是大象放屁飞上天,仔细想想还是不妥,因为我这里没有改质量定义,所以大象的重力是不变的,不克服重力是不能离开地面的,大象放屁只能引起野蛮冲撞。不过质量大的物体在天上的灵活性更高还是有的,所以让大象进化出翅膀还是喜闻乐见的。

感谢大家喜爱,知乎小透明突然收获两千赞,受宠若惊。

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考虑封闭质点系的拉格朗日函数 ,建立运动方程 ,将拉格朗日函数带入得到 。

如果 (*) 式变为 ,则倒推得到的拉格朗日函数 。同理,自由质点的拉格朗日函数将改为 ,这不影响「伽利略变换下的惯性参考系中自由质点拉格朗日函数之间只相差关于时间和坐标函数的全导数」,即拉格朗日函数仍然和速度的平方成正比。

因此,人类的应对措施为:

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先说结论:实际上题主的设定(在相同的力的作用下,加速度与某个可加的属性成正比)在 Newton 力学的框架下是自洽的。


从 Lagrange 力学的角度考虑的话,这个问题太无聊了。如果你承认 Hamilton 最小作用量原理和 Galileo 相对性原理的话,你必然会得到,对于自由质点,有 ,而质量就被定义为这一比例系数的两倍。另外,由 Lagrangian 的可加性,可知质量也具有可加性。

因此,如果你把 换成 ,什么也不会发生,只是质量被定义为上面提到的比例系数的倒数的一半,而不再具有可加性。

这个问题只有在从 Newton 力学的角度考虑时才是有意思的。Newton 力学中,质量的概念是由实验现象引入的,而不是从理论推出的。也就是说,如果你承认 Galileo 相对性原理和 Newton 决定性原理,实际上你可以容许和常见情形不同的质量的定义。

首先说明一点,在不考虑相互作用力时,质量是没有意义的,因为我们总可以修改单位使得运动等效于物体具有单位质量,即 。

介绍一下在 Newton 力学中如何引入质量的概念。

首先我们需要一个被认为是与物体本身无关的势场(例如 Hooke 场 ,也就是弹簧),然后将一个物体放在其中的某个位置 ,并测定它的加速度。然后,再拿另一个与它相同的物体(相同意味着我们认为这两个物体的任意的属性都相同),通过某种约束(即一个强大的相互作用力)使这两个物体能够保持足够接近以至于可以认为它们在外场中处于同一位置(例如用绳子绑起来),然后再将这两个物体一起放在势场的 处,测定加速度。

类似地进行一系列实验,很快我们能得到结论:当物体在力场中处于某个状态时,其加速度的大小与它的某个属性(“属性”的意思是,它在任意的时空变换下不变,与力场本身无关,也就是说它是物体自身的性质)成反比,而且这个属性是可加的(“可加”的意思是,多个物体的总体可以看做一个完整的物体,且它的这一属性等于组成它的各部分的这一属性的总和)。我们将这一属性称为“质量”。

接下来我们尝试修改实验现象,使得我们得出的结论变为:物体的加速度和质量成正比,而质量是可加的。

我们考虑一些其他的物理量,例如动量。我们认为动量是 在时间上的积分,也就是 。

我们尝试得出质心运动定理。因此我们需要定义质心,从而使得质点系的总动量等于质心处的单个具有质点系总质量的质点具有的动量。

质点系的总动量

质心的动量

由 解出

积分得质心

显然,我们仍然有质心运动定理:质点系的质心的运动相当于力和质量全部集中于质心。

然后我们还可以验证质点系运动中一些其他的常见定理。我懒。

(至于人类能不能生存……不知道啊,大概不能吧。)


更新:

@灵剑 的回答中提到了不自洽的问题。实际上出现这个问题的原因在于,他并没有考虑到质心运动定理已经发生了变化,而仍然在使用原先的质心运动定理。

比如,一个系统由两个相同的质点( )组成,它们的加速度为 ,那么按照 @灵剑 的回答中所使用的,它们总体的加速度也为 。但是,根据上述的质心公式,可得总体的加速度实际上为

这就解决了不自洽的问题。

同时我们注意到一个问题:当改变坐标原点时,质心的坐标会与原先的位置产生一定的偏移(也就是说当将每个 平移 后,质心位置 并不是平移 ,而是平移 )。但是这并不会破坏空间均匀性(封闭系统的运动方程仍然可以在 Galileo 变换下不变)。

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我们会把1/m称为m。

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