拉普拉斯方程之美:萬物的數學之匙


拉普拉斯方程之美:萬物的數學之匙

物理是一個天生自帶暗語密碼的學科。而正是這些密碼將宇宙裡的各種秘密轉為人類語言。它們可以把最純粹的數學和任意物理下的分科聯合在一起。而這,正是其中之一。

拉普拉斯方程之美:萬物的數學之匙

它存在於電磁學,存在於流體力學,存在於萬有引力,存在於熱力學,也存在於表面張力裡。它,乃是拉普拉斯方程。它,無處不在。

拉普拉斯方程是由皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)首先提出而得名的。拉普拉斯則是一位世界著名的法國數學家,在維基百科上甚至有數個被冠以他的名字的頁面。在1799年,他證明了在天文時間單位裡,太陽系是一個穩定的系統,推翻了一個世紀前牛頓的假設。在這個過程中,拉普拉斯方程誕生了。

拉普拉斯方程之美:萬物的數學之匙

皮埃爾-西蒙·拉普拉斯

它只有5個符號。被平方的一個名為向量算子的倒三角,希臘字母φ,等號,零。通過這五個符號,拉普拉斯讀懂了宇宙。

φ,這個方程的精髓,通常代表勢能。雖然它也可以代表其他的數值,但是在這裡,我們將φ定為代表一片陸地每一點的海拔。山坡上的φ很大,山谷裡的φ則很小。

被一系列運算所代表的向量算子平方被稱之為拉普拉斯算子。它所測量的是在這篇陸地上移動時φ值升降之間的平衡。

在山頂上,不論任何方向,唯一的可能就是海拔的下降,因為它已是最高點。這時的拉普拉斯算子是負數,因為下降值比上升值大。山谷底則完全相反,正數的拉普拉斯算子是因為唯一的可能就是上升。而在這兩者之間則存在著一處平衡點,在那,一步可能帶來的上升和下降完全相同。在這處平衡點上,拉普拉斯算子為零。

在拉普拉斯方程裡,一片陸地上所有地點的拉普拉斯算子都等於零。而這有兩個結果。第一,在任何一個位置上,你都可以上升或下降相同的海拔。第二,一片陸地最高和最低的φ值都只能存在於邊境。這是因為,如果φ值有變,它只能在抵達峰頂或谷底之前發生。

現實的地面很難符合拉普拉斯方程,但是皂膜不一樣。把一個鐵圈放進肥皂水裡再拿出來,你將發現製造出來的皂膜會沒有任何起伏。你可以拿著鐵圈換一換姿勢,但是你會發現你沒有任何辦法使皂膜高出或底出鐵圈。從任何角度來看,鐵圈的邊緣都是這個平面的最高與最低點。

皂膜之所以形成這個形狀是由於表面張力導致的。但是拉普拉斯算子完美的預料到並描述了它。而且你要記住,拉普拉斯發明出這個方程的原因是因為它描述了整個太陽系。

讓我們用另外一個例子來描述拉普拉斯方程。想象一塊帶電荷的金屬在空無一物的太空中。通常,太空中是沒有電壓的。但是,此時金屬附近的空間會有和金屬相似的電壓。距離金屬更遠的空間電壓則會更小,但只有在離金屬無窮遠的時候電壓才會為零。當你離開金屬所在的那點,你不會測量到任何電壓的波動,因為沒有任何其他電荷來導致電壓波動。電壓只會隨著距離的增加而變小。

如果你想知道空間裡任何一點的電壓,你只需要解開拉普拉斯方程。

聽起來很難?不用擔心,拉普拉斯方程厲害之處在於,如果你想解開皂膜的拉普拉斯方程,你在最後一步之前不需要任何關於鐵圈的數值。所有的步驟完全獨立於鐵圈。所以,你可以把它完美的套用在電壓的計算上。除了最後一步,這個方程不會有一丁點的改變。

同樣,它可以被運用在任何地方,只要你把最後一步改好。引力在物體表面最大,但是會漸進歸零,拉普拉斯方程可以計算它。水流的速度在被阻礙時為零,但是在遠處則不會有任何影響,拉普拉斯同樣好使。鼓面被緊固在鼓上,它的表面張力使它持平,拉普拉斯對它也有效。

橫跨宇宙,橫跨教室,橫跨研究,只要你注意找,拉普拉斯方程必然會出現。而你,只需要解它一次。


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