教授在讲解麦克斯韦关系式时,徐嘉庆听得非常专注,这些关系式揭示了不同热力学偏导数之间的内在联系,体现了热力学系统的优雅和自洽。许源则对“特性函数”的概念——即一个热力学势包含了系统的全部平衡信息——感到着迷,这似乎与拉格朗日量或哈密顿量在力学中的核心地位有异曲同工之妙。
周六,他们按照计划,在《计算物理》的机房上机时间里,着手解决单摆大角度振动问题。
他们编写了一个用四阶龙格-库塔法数值求解哈密顿正则方程的程序。输入不同的初始摆角和角速度,程序计算出相空间轨迹(θ, p_θ)和θ随时间的变化。调试程序,确保在小角度下结果与解析解(简谐振动)吻合。然后,逐渐增大初始摆角。
当初始摆角增大到30度、60度甚至接近90度时,屏幕上显示的相轨迹从完美的椭圆逐渐变得“扁平”和扭曲,θ-t曲线也从标准的正弦曲线变得不对称,摆动周期明显变长。
他们甚至尝试了初始角速度不为零的情况,观察到了更复杂的相空间运动。通过程序,他们直观地“看到”了非线性效应如何显著地改变了系统的运动行为。
虽然他们还没有能力从理论上严格推导出椭圆积分形式的精确解,但通过数值模拟,他们对“大角度单摆是非线性系统”这一事实有了极为具体和生动的认识。
他们将数值结果整理成图表,附在思考题解答后面,并简要分析了数值结果所揭示的物理——比如周期随振幅增大而增加,以及相空间轨迹形状的变化所反映的动能与势能转换的非简谐性。
“数值方法有时候能提供解析解无法轻易给出的直观图像。” 离开机房时,许源感叹道。窗外已是黄昏,校园里华灯初上。
“嗯。但解析解给出了本质和极限行为,”徐嘉庆补充道,手里拿着存有程序和结果的U盘,“两者结合更好。”
他们一边讨论着数值方法的精度、稳定性和计算成本,一边向食堂走去。虽然只是一个简单的单摆问题,但通过理论分析、数值模拟、结果讨论这一完整的过程,他们感觉自己对力学和计算物理的理解都更深了一层。这种主动探索、用多种工具解决问题的学习方式,正是大学所鼓励的。
周日,难得的半天闲暇。他们没有安排学习,而是决定去圆明园遗址公园走走。
春寒犹在,但阳光很好,公园里已有不少踏青的游人,湖面的冰尚未完全融化,但岸边柳树的枝条已明显变得柔软。
他们沿着福海岸边慢慢走着,看着远处残破的石柱和拱券在初春的阳光下投下沧桑的影子,与近处粼粼的波光和泛青的草地形成奇特的对照。历史与现实,废墟与生机,在这里交织。
“时间过得真快,”许源看着湖面上滑冰车嬉戏的孩童,轻声说,“感觉上学期还在眼前,这学期又过去快一个月了。”
“嗯。”徐嘉庆应了一声,目光也落在远处的废墟上,沉默了片刻,才说,“课程比上学期难。”
“也更有意思了。”许源笑了笑,侧头看他,“哈密顿力学,磁矢势,热力学势……感觉在搭一个更大的架子,把以前散的知识点串起来。”
“还在往里填东西。”徐嘉庆简洁地总结。他们正在学习的,正是构建现代物理学大厦的核心框架和基础语言。每多学一点,就感觉对这个世界运行规律的理解,更深入、也更统一了一分。虽然过程艰难,但那种不断接近真理核心的满足感,是无可替代的。
他们在一处背风的长椅上坐下,分享着从食堂买来的热饮。阳光晒在身上,带来些微暖意。远处传来游客的谈笑声和隐隐的钟声。两人都没怎么说话,只是安静地坐着,享受着这忙碌学业中难得的放松时刻,和身边人无声却踏实的陪伴。偶尔目光相接,看到对方眼中同样沉静的、对未来的期许,和一种无需言说的默契与懂得。
新的学期,就在这样日复一日的课程、自习、讨论、实验、偶尔的漫步和思考中,稳步向前推进。知识的大厦在一点点垒高,思维的疆域在一点点拓宽。挑战是巨大的,压力是真实的,但前行的每一步,都伴随着收获的喜悦和并肩的温暖。清华园的早春,寒气未消,但生命的活力与求知的热情,已如地下的潜流,不可阻挡地奔涌着,等待着破土而出、绽放光华的那一刻。
而他们,就在这春寒与希望交织的时节里,以最坚实的步伐,走在属于他们的、通往星辰大海的征程上。