Day1先做Part1。推广牛顿定律的形式并科普什么是微分流形
我先展示一下教科书里标准的牛顿定律给出单摆摆角随时间演化的步骤:

原始的牛顿定律工作在三维空间（x，y，z）里，用牛顿定律解物理问题就需要对每个质点列出牛顿定律的三个分量方程，对得到的方程组进行接下来的数学处理。
在单摆问题里，原始的牛顿定律形式有两个不方便之处:
1.单摆问题，明眼人一看便知，（在某种我们还没有定义清楚的意义上）是一个“一维”问题我们列了x和y两个方向的方程，但是x和y并不独立，用一个角度变量theta就可以全部表出，所以我们进行了加减消元，得到只含一个角度变量的方程
2.方程里出现了完全未知且我们并不关心（如果我们只想求解运动不关心绳子会不会断掉）的绳张力T，我们利用消元法消去了它
实际上，这两个是同一个麻烦: 坐标分量比物理问题的“真实维度”多了几个，牛顿定律就会多出几个未知的“约束力”，需要组合这些分量方程来消除掉。
原始的牛顿定律工作在 （x，y，z）三维空间里，我们不能一上来就列出只含一个变量的单摆方程。
在工程实用中，大量需要处理约束问题。在理论物理中，我们需要更加普适的理论框架。这一切使我们希望正式化我们对于“空间”和“维数”的认识，推广牛顿定律的形式，让牛顿定律工作在更加一般的空间上。

一个直截了当的点子就是，采用描述各质点位置所需最少参数的取值集合:“参数空间”。
描述单摆问题，我们就在单个角度参数theta的参数空间上工作，参数空间的图像是下半圆。如果允许单摆的摆动平面旋转，确定单摆位置需要两个参数theta和phi（摆平面绕竖直轴的旋转角），参数空间是下半球面。
描述两个质点的平面运动，需要四个位置参数（x1 ，y1，x2，y2）。
如果两个平面运动质点之间用单位长的轻杆连接，则最少只用三个参数来描述:
点1的笛卡尔坐标（x1，y1），和杆与x轴之间的夹角theta,此时点2的坐标并不独立，可以用三个参数计算（x2=x1+cos theta，y2=y1+sin theta）。
不妨称独立参数的个数为参数空间的维数。

物理学家总是默认运动中出现的函数形式都是性质极为良好——光滑的，例如我们不希望有质量的东西出现锐角转向（连续但不光滑），更不希望发生瞬移（不连续）。描述各质点位置的参数可以有不同的选取方式（例如描述一个质点的三维运动可以用笛卡尔坐标、柱坐标、球坐标，以及各种各样疯狂的坐标），但是这些参数最好不要破坏光滑的性质。
“微分流形”的概念在这里就应运而生了。所谓微分流形，就是“具有一致维数的光滑参数空间”。当然作为数学概念，需要用集合论的基本语言把这些想法严格地表述，本帖作为科普贴，不打算复制粘贴这些严谨的数学句子

有了理想的工作平台（光滑参数空间，以下称呼正式名称微分流形）接下来就考虑在上面书写推广的牛顿定律了！
考虑一个一般的N维微分流形，也就是说，我们物理系统里各质点的坐标需要N个独立的“光滑参数”（x1，x2，…xN）来描述。
牛顿定律说ma=F。问工作于微分流形上时加速度和力长成什么样子？我们考虑理想的系统，力可以由势能给出，势能V就是位置参数的函数V=V(x1，x2，…xN)，可以计算势能在参数空间中的梯度（对各参数的偏导数），力即负梯度（— partial V/partial x1,……，— partial V/partial xN）。
推广的牛顿定律声称，m*加速度在每个参数方向的正交投影等于势能在该方向梯度的负值。见图。
速度在数学上是微分流形上的（切）矢量。使用一般的位置参数时，速度矢量的各分量就是位置参数的时间导数，因此速度可以简单表示为（dx1/dt，…，dxN/dt）。

书写推广的牛顿定律最关键的就是写下“加速度的正交投影”，而这要求在微分流形上指定附加结构:度规（度量）和联络。度量和联络是流形上物理学家最关心的东西，它们可以说是理论物理的中心！
简单地说:一个一般的N维微分流形，或者说参数空间，本来是没有任何结构的，更谈不上具有形状——局部地看，你就是简单地把N个参数放在一起，放在一起，什么也没做。参数空间上没有距离的概念，没有角度的概念，因此没有几何学。
回忆你在物理课上学过的作为三维矢量方程的牛顿定律: 你确实需要距离/长度的概念，否则何以比较运动的快慢？当你将矢量方程投影到某一方向时，你其实是将加速度写成沿该方向的矢量和垂直该方向的矢量之和，即做正交投影，因此你需要角度的概念。距离和角度是几何学之根本（几何学的本意即是大地测量学）。建立牛顿定律需要空间具有几何。

写下推广的牛顿定律剩下最后一步:加速度的分量表达式如何确定？笛卡尔坐标系中的经验:加速度的分量就是速度分量v1=dx1/dt，…vN=dxN/dt再对时间求一次导数是否是对的？
答案是否定的。原因可以回想一下匀速圆周运动。匀速圆周运动的速率v是定值，dv/dt=0，但是速度方向始终在变化，因此加速度不为零。
当你使用平面极坐标（r，theta）而非笛卡尔坐标描述匀速圆周运动时，速度分量始终是定值（0，v/R），R为圆周运动半径。实际上，速度是一个矢量，速度矢量应该等于分量乘以基底（并求和），使用一般参数坐标时，速度的基底逐点不同，因此即使速度分量不变，加速度也应该有基底的变化率的部分。
简单的思路就是把速度矢量=分量*基底明确写出来，加速度矢量等于速度矢量的时间导数，利用莱布尼兹法则往下做。我们采用一个等价的方式介绍联络的概念:
对时间求导是用相差dt时刻的两个物理量想减除以dt。矢量的基底逐点不同，因此不同地点矢量的分量不能直接加减，这是矢量求导问题的核心。那么，如果我们想办法把t+dt时刻的速度矢量平行移动到t时刻的位置（这个“平行移动”一般将导致分量发生改变），这时它岂不是就与t时刻的速度矢量共享基底了？岂不是就可以分量想减除以dt了？
“联络”的概念应运而生！数学上，联络是微分流形上的又一附加结构，它告所你你如何平行移动地把一点的向量沿一定的路径移动到另一点。指定平行移动方式—联络—之后，可以定义向量的导数:先平移，再做差！
速度是流形上的切矢量（一些物理学教科书上也成为“空间向量”）。注意，流形上也可以有很多不同种类的向量空间，和速度所在的切空间不是八竿子打不着！比如用来放置自旋方向的自旋空间（额，它和切空间倒是有重要的联系），放置夸克波函数的色空间……（见我的另一篇科普帖子https://tieba.baidu.com/p/8948817036?share=9105&fr=sharewise&see_lz=0&share_from=post&sfc=copy&client_type=2&client_version=12.59.1.0&st=1713640813&is_video=false&unique=9D1AE24B467C1AB29AFCC8FB9ACAD4E0）
牛顿力学只关心切矢量，切矢量的联络在给定度规后，有标准的形式（由度规导出）。我们开心的发现并不需要真的指定什么别的东西了！

PART1总结（划重点，为了听懂明天更有趣的内容需要且只需要理解这些）
0.一个经典力学系统由一个微分流形（位形参数空间）M，M上势能函数V和一个良好定义的动能形式T完全决定，据此可以写出推广的牛顿定律，有效处理约束问题，经典力学被几何化
1.N维微分流形就是可以（局部）建立坐标/参数和点一一对应，从而用N个坐标（x1，……，xN）良好描述局部性质的空间。微分流形的强大之处是它封装了物理学家关于“好的函数性质”的所有先验要求，允许我们自由地选取相当任意的坐标。
2.度规是你可以在微分流形上指定的附加结构，用来计算距离和夹角。度规在微分流形上建立了古典的几何学。
3.联络是你可以在逐点拥有一个向量空间的微分流形上指定的附加结构，用来告诉你怎么把向量平行移动。一般情况下，有了联络才能谈及对向量求导。

码字好累，希望睡醒看到有暖贴

新增附录1
[lbk]个人科普贴专用附录贴[rbk]（手动滑...
二楼。
有吧友请求具体展示推广的牛顿定律的方程如何写出。学过理论力学的物理系学生更加熟悉的不是“推广的牛顿定律”，而是欧拉拉格朗日方程（EL方程）。该附录展示了推广的牛顿定律的明显形式，并推导出EL方程作为其等价形式。

Day2来谈谈Part2。广义相对论如何统一时间和空间，并赋予时空形状？
经过推广的牛顿力学里，时间是一个取值于实数集合的参数t。你可以说时间是一个一维流形，不过一维流形是没有局部的内禀性质的，（在全局可能有有趣的性质，譬如时间能否首尾相接构成一个环，不过我们且先省省这种疯狂想法），为这样无趣的时间指定任何数学结构都是多此一举。time is just a number！
力学关心位形空间，它是一个任意维数n（物理称维数为自由度数）的微分流形M，有局部坐标X=（x1，…,xn）。对应于每个时间t，系统的位形（位置和形状）可以用M上的一个点来表示，当t跑起来时，这个点在M上跑出一条曲线
X=X（t）
力学关心求解这个曲线。
力学框架中，相互作用用势能函数V刻画，V是M上的函数V=V（X），其隐藏的内涵往往被忽视: 体现为势能的相互作用只依赖于当前时刻系统的位形，不论相互作用的两粒子相距多远，当它们的位置改变时，势能立刻跟着调整——在力学框架下，粒子1“感受”粒子2位置发生改变不需要时间！相互作用是瞬时传播的。

导致相对论时空观的一个重要的动因（我没有深入调查过历史上的动因，只介绍个人认为的逻辑上的动因）是对瞬时传播的否定。
宇宙中任何相互作用/任何信号的传播速度应该有一个上界，将这个上界记为c，c当然成为了物理学常数大家族的一部分，我们会发现无质量粒子（如光子）在任何参考系都以速度c运动。
否认难办的瞬时相互作用意味我们掀了力学的桌子（乌鸦哥.jpg），用场论的框架代替了力学的框架。场论中基本的变量不再是刻画系统位形的广义坐标（x1，……，xn），而是所谓的场，粗略地讲场就是这样的物理量:它在每个空间点上都有一个取值。例如大气中每一点都有一个风速，天气预报就涉及求解风速场。场也会随时间演化，因此是t，x，y，z四个变量的函数。
从力学到场论的进化见下图:

注意，与力学的位形空间M对应的概念是场变量取值的靶空间V，靶空间和位形空间一样，也是任意n维的（对于有个n分量的场）。基于习惯，我们把字母M留给四维的时空spacetime。
何为时空？前述力学基于单自变量t，单自变量是很无聊的。而场论有四个自变量t，x，y，z，四维就不无聊了，我们可以将这四个变量（一个时间变量，三个空间变量）放在一起，称它们取值于一个四维流形——时空流形M。请注意，在流形上我们可以肆意采取不同的坐标（只要变换是光滑的）！如果你采用一般的新坐标（如图，带撇的新坐标可以以相当任意的形式依赖于旧坐标t，x，y，z），那么新坐标一时之间竟分不清什么是时间，什么是空间:时间和空间密不可分地统一在一起。
到这里，引入时空流形M以统一时间和空间，只是数学上可以做的事情，如果物理规律不能很好地用流形上的结构描述，那时空概念便纯属玄谈了。我们接下来在时空流形上引入已经介绍过的度规结构。