拉普拉斯運算元 拉普拉斯方程之美

2021-10-12 09:02:01 字數 1625 閱讀 1069

物理學有它自己的羅塞塔石碑。它們是連線宇宙間看上去不同的領域的天書,它們將任何物理學分支同純粹數學聯絡起來。

拉普拉斯方程就是其中之一:

它幾乎無處不在:在電磁學、在流體力學、在引力、在熱學、在肥皂泡……拉普拉斯方程是以法國數學家pierre-simon laplace(皮埃爾-西蒙·拉普拉斯)的名字命名的,他的著作多得足以在維基百科上找到幾個同名條目。

2023年,拉普拉斯證明了太陽系在天文時間尺度上是穩定的——這與牛頓乙個世紀前的想法相反。在證明牛頓錯誤的過程中,拉普拉斯研究了以他名字命名的方程。它只有五個符號:乙個倒三角形叫做「納卜拉」(nabla)——的平方,彎彎曲曲的希臘字母"phi"(讀wi-fi的fi),乙個等號,乙個零。拉普拉斯只用這五個符號就解讀了宇宙。

"phi"是令人感興趣的東西。這通常代表「勢」,但也可能是其他很多東西。不過現在我們假設它代表了乙個景觀每一點的海拔高度。在山頂上phi很大,在山谷它很小。納卜拉平方是拉普拉斯運算元(laplacian)的運算集合,它測量的是在景觀中移動時(高度)增減之間的平衡。

不管你朝哪個方向,從山頂往下走都是在下降。因為它是最高點,但這也讓拉普拉斯運算元為負:下行選擇完全壓倒上行。同樣,在山谷它是正的:除了向上哪也不能去。在這兩者之間的某個地方上下完全平衡,在這點拉普拉斯運算元為零。

在拉普拉斯方程中,拉普拉斯運算元處處為零。真實的地方太凹凸不平了,以致無法滿足拉普拉斯方程。但是肥皂泡更具合作性。把乙個扭曲的鐵絲衣架浸入肥皂水中,你會發現膜上沒有任何凸起。稍微擺弄一下,你就會發現,你永遠無法讓肥皂泡處於比衣架的最高點高,或比最低點低的位置。從任何角度看最高和最低部分都在鐵絲邊界上。

薄膜的形狀由表面張力決定。拉普拉斯方程完美地描述和預言了它——提醒一下,這個方程是拉普拉斯研究過的,它描述了太陽系。

也可以想象真空中一塊帶電的金屬。通常真空中沒有電壓,但在這種情況下,非常靠近金屬的空間將產生乙個非常類似於金屬本身的電壓。在很遠的地方,電壓會很小——但只有無限遠的地方,電壓才會真正為零。當你逐漸遠離金屬,因為周圍沒有其他電荷導致電壓峰值,因此不會有任何尖銳的峰或谷,於是電壓逐漸下降,這又回到了拉普拉斯方程。為了求出這塊金屬在空間中的任何位置產生的電壓,你只需解拉普拉斯方程即可。

但實際上無需如此。這就是物理學中羅塞塔石碑的美妙之處:當你解肥皂泡的拉普拉斯方程時,你只需在最後一步指明關於衣架的資訊。之前所做的一切完全跟肥皂泡無關,所以它完全適用於電壓。

同樣的解可以應用於任何地方,只需更改最後一步。引力靠近質量處很大,並漸近地趨於零,這就回到拉普拉斯(方程)。當有東西擋住它的去路時水流速度是零,遠離(障礙)時不受干擾——又回到拉普拉斯(方程)。一面鼓的頂部緊緊貼合其邊緣,表面張力使鼓面繃緊和平整——還是回到拉普拉斯(方程)。它遍及整個宇宙,遍及類似的教學和研究中。

而且你只需解一次。

Laplace 拉普拉斯 運算元

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