看到数学公式头疼 用初中知识告诉你,为什么头疼的公式里都有平方反比

为什么万有引力定律,库伦定律都是平方反比?平方反比有什么含义吗?山醒,物理系的爱智慧男。

(可以看懂本回答的基础:初中)

让我们来做一个类比:假设三维空间中出现了一个水源,该水源向周围稳定地以速率 V 输出水。那么我们任意画一个闭合曲面:

看到数学公式头疼 用初中知识告诉你,为什么头疼的公式里都有平方反比

1. 当此闭合面不包括该水源时,进入和离开该曲面的水量是相等的;

2. 当此闭合面包括里该水源时,曲面总体上是净流出的,净流出的速率等于水源输水的速率 V。

现在我们围绕着水源画两个同心球面,半径分别为  和 

—— 由于他们的总流出速率  相等,那么单位面积上的流出速率的关系 ,  呢?其关系为:

.

即对任意半径为 r 的以水源为中心的球面,其单位面积的流出速率:

.

上式看起来很熟悉?是的,平方反比律。

把水源类比为电荷,那么其输出的水可以被当作电场;把水源类比为有质量的物体,那么其输出的水就可以被当作是引力场。

提升阅读:

1. 如果有无穷多个水源均匀地组成一个平面,那么水流会被迫互相平行地流出;而无论距离平面的远近,你所接收到的流出速率是一样的。(类比:充满均匀电荷的无限大的平板的电场。)

2. 如果在上述的球面中有我们不知道的另一个水源(或者一个排水点)呢?我们探测到的单位面积流出速率会大一些(或者小一些),因为有更多的水源了(或者因为有部分水被排出了)。在假设 V 不变的情况下,分母中 r 的指数 2 会因此变小(或者变大)。

3. 如果我们真的没有其他水源(或者排水点),却观察到 r 的指数不为 2,会是什么原因呢?我们只能怀疑球面的公式

是否正确了,或者说我们的空间是不是真的是三维的?

1) 在二维空间中,如果我们放一个水源,它只能在一个平面上排水,这时我们画一个包含水源的圆即可包住所有的流出的水,

,即 ,分母中 r 的指数为 1。一次方反比。

2) 在四维空间中,水源可以沿着四维的方向流水,这时四维超球的“表面积”为

 ,则  ,分母中 r 的指数为 3。三次方反比。

综合关于二维和四维的讨论,那么如果我们真的观察到 r 的指数小于 2,那么说明我们空间的维度小于 3;如果 r 的指数大于 2,那么空间的维度大于 3,那我们看不到的的那些维度呢?我不知道(我也希望有高维空间的存在,这样我们就可以想办法进行星际旅行啦)。


  

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