蚂蚁都知道走折射路线，最小作用量原理的物理之美

假如你是造物主，想用最简洁的原理创造一个有规律的世界，那么最小作用量原理可能是你的最佳选择，因为这条原理贯穿了经典物理学到现代物理学，甚至在宇宙学、经济学、生物学中都发挥着作用。

费马原理

生物学家对火蚁的行为研究发现，火蚁在通过两种不同介质的表面时，它们趋向于选择耗时最短的路径，而不是距离最短的路径；研究人员还解释到，火蚁依靠化学痕迹确定路线，在长期的进化过程中，火蚁会集中形成最佳路径，以此节省爬行时间和能量。

火蚁这种选择最短时间路线的现象，类似于物理学中光的折射，也就是光在斜着穿过两种透明介质的交界处时，其传播方向会发生变化，并满足折射定律“n1sinθ1=n2sinθ2”。

早在16世纪，荷兰物理学家斯涅尔就发现了折射定律，到了17世纪，法国数学家费马进一步提出费马原理，当时他称之为“最小时间原理”，内容是：光总是选择耗时最少的路径传播。

费马原理更准确地应该称之为“平稳时间原理”，因为在某些特殊的场合，光可能会沿着时间最长或者时间拐点路径传播，也就是时间的一阶导数为零的路径。根据费马原理，我们很容易推导出几何光学的直线传播定律、反射定律以及折射定律。

比如下图中，光从A点传播到B点，期间穿过介质1和介质2的交界处，并且在介质2中的传播速度低于介质1，对于光线来说有无数种路线可以选择，比如A到B的直线就是一条看起来不错的路径，也可以选择交界面上任何一点O为拐点。

“光在同种介质中沿直线传播”的前提下，我们根据费马原理，光选择时间最短的路径传播，会使得下面这个式子的值最小：

AO/v1+BO/v2=min

其中:

AO^2=CO^2+AC^2

BO^2=DO^2+BD^2

CO+DO=CD=定值

且AC、BD为定值

对公式进行微分可以得到：sinθ1/v1=sinθ2/v2

我们定义介质的折射率后，就有折射定律n1sinθ1=n2sinθ2。

最小作用量原理

费马原理虽然只适用于几何光学当中，但是在其他领域同样起着指导作用，比如约翰·伯努利曾经借助这个思想，成功地解决了最速降线问题。有了费马原理的思想，再经过多位数学家和物理学家的推进，在18世纪发展出最小作用量原理。

最小作用量原理的一个表述版本：对于所有的自然现象，作用量总是趋向于最小值。

当该原理应用于机械系统时，就得到该系统的运动方程，比如一条两头悬挂的铁链，铁链的形状总是使得整条铁链的重力势能最低。

还有水滴总是趋向于球形，因为这样能使水滴表面张力最小，在地球表面附近，由于水滴自重把水滴重心拉低，这样在表面张力和重力的共同作用下，最终呈现出我们见到的水滴状。

当把最小作用量原理应用于能量系统时，就得到了能量最低原理，也就是一个系统的能量越低越稳定，该原理不仅在经典力学中成立，而在量子力学和相对论力学中也有着重要应用，比如：

1、量子力学的原子模型中，核外电子处于基态时原子最稳定，此时核外电子的能量最低。

2、原子核中铁的平均核子质量最低时，原子核最稳定，在所有原子中铁的平均核子质量最低，所以铁的原子核最稳定，所有聚变反应与裂变反应都是朝着铁进行的。

我们在物理学的各个领域，都可以找到最小作用量原理的影子，比如拉格朗日力学就是基于最小作用量原理建立的；还有费曼发明的路径积分，以优美的形式解释了量子力学的波动性和粒子性，其灵感正是来源于最小作用量原理。

在量子力学的双缝干涉实验中，用光的粒子性解释总有些违背常理的地方，而费曼积分解释到，光子会走所有的路径，但并不是所有路径的概率都相同，其中一些路径会相互叠加抵消，最终剩下的就是光子实际走的路径。

以上谈了这么多例子，给了我们一个非常好的启示：我们寻找物理规律，其实就是在寻找最小作用量。

诺特定理

在物理学中，还存在一个和最小作用量相媲美的性质——对称性，一旦我们把作用量和对称性结合起来，还能得到更美妙的结果。

艾米·诺特是上世纪著名的德国女数学家，曾被爱因斯坦称为数学史上最重要的女人，也被誉为现代数学之母，她提出的诺特定理是现代物理学的中心结果之一。

诺特定理描述：力学体系中每一个连续的对称变换，都对应一个守恒量。

目前物理学有几十种这样的对称关系，大家最为熟悉的有：

空间平移对称性——动量守恒

时间转动对称性——角动量守恒

时间平移对称性——能量守恒

规范变换对称性——电荷守恒

前面三种守恒定律演绎了时间和空间的基本对称规律，意味着无论在何时何地重复同一种物理实验，我们都能得到同样的结果；电荷守恒早在18世纪就被发现，直到诺特定理提出后，科学家顺藤摸瓜才有了规范变换对称性。

诺特定理告诉我们，物理规律的对称性就是作用量的对称性，我们要寻找最小作用量，可以先找到对称性，然后根据诺特定理找到对应的作用量，再去发现最小作用量，从而得到相应的物理规律。

这是多么美妙的一件事啊！想想几百年前科学家要想得到物理规律，只能根据经验或者灵感去猜，现在我们有了一种系统的方法去寻找物理规律；而且以前看起来完全不搭边的守恒定律，居然都可以由诺特定理给出，难怪诺特定理在现代物理学中处于中心位置。

如果你是造物主，在创造世界时，肯定不会单独去设计诸如空气阻力F=（1/2）CρSV^2这种公式，你只需要设定最小作用量原理，然后添加几个作用量，并让作用量遵循某个对称性，这样大自然就变得美妙与和谐了。