连场论都存在问题,何况相对论呢? 根据现在“场论”对矢量散度的定义,
来看看速度这个经典矢量的散度问题:
对于水,由于一般假设水是不可压缩的,
所以对于任意“无源点”是有进有出,通过量相等,通量为零,散度为零:
φ= v1*s1-v2*s2 =0 (忽略管壁的摩擦阻力),
div V=0,
对于散度的“通量积分定义”,上面的定理是可以经得起验证的,
可是对于散度的“算符偏导定义”,也同样经得起数学验证吗?
如果作一条曲线:y=f(x),
及它对称于x轴的对称曲线:y=-f(x),
那么这两条曲线和两端封口的垂线就构成一段“变径管道”的纵剖面,
2y就是管道横截面的“投影线”,
对于圆截面S= πy^2,
对于长方形截面S= 2yh,
假设截面S= 2yh,如果h=1,则:
S(x)=2y=2f(x),
由:v1*s1=V(x)*S(x),
解出:V(x)= v1*s1/S(x)= C/S(x),
S(x)容易理解,比如河流宽度改变时,水流截面S就是流程x的函数S(x),
所以管道的形状就决定了函数S(x)的各种形式:
S(x)=2f(x)=2kx,(或者S(x)=xo-kx)
S(x)=2kx^2,
S(x)=2kx^3,
S(x)=2k/x,
S(x)=2k/x^2,
S(x)=2k/x^3,
...
于是得到各种速度矢量的形式:
V(x)= v1*s1/S(x)= C/S(x)
V(x)=C/ 2kx (i),[或者V(x)=C/2(xo-kx)]
V(x)=C/ 2kx^2 (i),
V(x)=C/ 2kx^3 (i),
V(x)=2Ckx (i),
V(x)=2Ckx^2 (i),
V(x)=2Ckx^3 (i),
...
一般的,不可压缩液体的流速矢量V可以与位置矢量r有各种形式的函数关系,
可是不管函数形式如何,只要是对液体作出了“不可压缩”假设,
则该流体场中的任一“无源点”处的通量为零,散度为零,这没有疑问吧?
上面的分析是位置矢量r(与流体对称轴同向)与x轴重合的情况,
对于空间内任意的r也可以有以下各种函数形式:
V(r)=C/r (i),
V(r)=C/r^2 (i),
V(r)=C/r^3 (i),
V(r)=Cr (i),
V(r)=Cr^2 (i),
V(r)=Cr^3 (i),
...
根据散度的“偏导定义”:
div V=Δ.E =X/x + Y/y + Z/z,
求得的以上各种形式函数关系的散度都满足:
div V(r)= 0 吗?
如果只有当:V(r)=C/r^2 (i)时,
才有:div V(r)= 0,
这说明什么问题呢?数学魔术问题?好象不是个小问题吧?
附一篇具体的分析计算,有不当之处,还请各位指点。
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附文:[散度是否为零主要取决于矢量的函数形式吗?]
假设:空间任意点(x,y,z)处,有最简单的任意矢量:
V=r,
其中r=xi+yj+zk 表示点(x,y,z)的矢径,
模为:|r|=sqr(x+y+z),
在第一象限内的投影分别为:
X=x,
Y=y,
Z=z,
注:
由于已知:(V与r同方向)
V(M)(er)=V(M)sinθcosφi + V(M)sinθsinφj + V(M)cosθk
=r*sinθcosφi + r*sinθsinφj + r*cosθk
sinθ=sqr(x^2+y^2)/r
sinφ=y/sqr(x^2+y^2)
cosφ=x/sqr(x^2+y^2)
cosθ=z/r
代入后得:
V(M)=V(x)i + V(y)j + V(z)k
=r sinθcosφi + r sinθsinφj + r cosθk
=r[sqr(x^2+y^2)/r][x/sqr(x^2+y^2)]i
+r[sqr(x^2+y^2)/r][y/sqr(x^2+y^2)]j
+r[z/r]k
=r(x/r)i + r(y/r)j + r(z/r)k
=(x)i + (y)j + (z)k
所以得到:(这是目前对于矢量V与r同方向时,普遍采用的方法)
[X=r(x/r)=x]
[Y=r(y/r)=y]
[Z=r(z/r)=z]
根据散度计算公式:
div V=Δ.E =ЭX/Эx + ЭY/Эy + ЭZ/Эz,
得到:
div V= Э(x)/Эx + Э(y)/Эy + Э(z)/Эz =3
在其它象限内,则可以有:
div V= 1或-1或-3,
在坐标平面上,则有:
div V= 2或-2或0,
在坐标轴上,则有:
div V= 1或-1,
矢量的散度是否与点所在的象限有关?
就算是在第一象限吧,由div V=3,能肯定该点是一个“有源点”吗?
比如一条由宽变窄的河道,水的速度矢量就可以与距离r成正比:V=r,
可是按照流体力学对水的不可压缩假设看,其中的每一点都是“无源点”,
可是现在用“偏导定义”求得它们的散度=3,并不为零。
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再回到电场的问题看,现在的标准答案是:
例1.1 设E为(放在原点处)点电荷q在真空中产生的静电场,
求除原点外空间各点M(x,y,z)处的divE(M)。
解:
从电磁学中我们知道,在空间点(x,y,z)处,
E=(q/r^3)r,
其中r=xi+yj+zk 表示点(x,y,z)的矢径,
r=sqr(x+y+z),
根据散度计算公式(1.5)得到:
divE=
q{【x/(x+y+z)^(2/3)】/x
+【y/(x+y+z)^(2/3)】/y
+【z/(x+y+z)^(2/3)】 /z}
=0,
这表明除原点外,空间各点都没有电力线散发出来。
参见:《高等数学》第三册 吉林大学出版社2000.9出版,欧维义 陈维钧编。
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可是如果把M点看成是一个球面上的点呢?|r|=sqr(x+y+z)=C常数,
divE=
q{【x/C^3】/x
+【y/(C^3)】/y
+【z/(C^3)】 /z}
=3q /C^3 ≠0,
而且如果E稍有变化就不行了,
比如对于:E=(q/r^2)r,就有:divE≠0,
前面也说过最简单的:E=(q/r)r,就有:divE =3≠0。
难道一个矢量的散度是否为零还与该矢量的函数形式E=f(r)有关吗?
可是按照散度的“通量定义”,如果把点看成一个“微体”,
则在该点处总有:
通量Φ=f(r)-f(r)=0,
从而总有:
div f(r) = Φ/dS =0,
可是根据散度的“偏导定义”,
对于最简单的:V=r
却得到:div V=3 ≠0,
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进一步分析如下:
先来分析书上divE=0的结果是如何得到的:
算子Δ=[(Э/Эx)i + (Э/Эy)j + (Э/Эφ)k],
E(M)(er)=[E(x)i + E(y)j + E(z)k]
所以先要求出E(M)(er)在3个坐标轴上的3个投影:E(x)、E(y)、E(z)。
由于已知:
E(M)(er)=E(M)(sinθcosφi + sinθsinφj + cosθk)
=E(M)sinθcosφi + E(M)sinθsinφj + E(M)cosθk
而:
在此空间直角坐标系下,以半径为r的球面上有任意点M,
当r一定时:
sinθ=sqr(x^2+y^2)/r
sinφ=y/sqr(x^2+y^2)
cosφ=x/sqr(x^2+y^2)
cosθ=z/r
代入后得:
E(M)=E(x)i + E(y)j + E(z)k
=E(M)sinθcosφi + E(M)sinθsinφj + E(M)cosθk
=E(M)[sqr(x^2+y^2)/r][x/sqr(x^2+y^2)]i
+E(M)[sqr(x^2+y^2)/r][y/sqr(x^2+y^2)]j
+E(M)[z/r]k
=E(M)(x/r)i + E(M)(y/r)j + E(M)(z/r)k
=(εQx/r^3)i + (εQy/r^3)j + (εQz/r^3)k
E(x)=εQx/r^3 =εQ x/(x+y+z)^(2/3)
E(y)=εQy/r^3 =εQ y/(x+y+z)^(2/3)
E(z)=εQz/r^3 =εQ z/(x+y+z)^(2/3)
由函数相除的求导法则得:
(x/r^3)/x = 【x/(x+y+z)^(2/3)】/x
=[r^3 - x【(x+y+z)^(2/3)】/x]/r^6
=[r^3 - 3rx^2]/r^6
所以:
div E= [r^3 - 3rx^2]/r^6 + [r^3 - 3ry^2]/r^6 + [r^3 - 3rz^2]/r^6
=(3/r^3) - 3r(x+y+z)/r^6
=(3/r^3) - (3/r^3)
=0
由于:(x/r^3)/x =[r^3 - 3rx^2]/r^6,
所以x的符号(象限)问题就没有了,而且由于函数形式的巧合,
连点在坐标平面和坐标轴上时的问题都没有表现出来,
这也许就是多年来引起误解的原因之一,
不过还是有一个前面说的“球面问题”存在,
即如果假设M是半径为r的球面上的一点,
则x+y+z=r =C,
divE=
q{【x/(C^3)】/x
+【y/(C^3)】/y
+【z/(C^3)】 /z}
=3q /C^3 ≠0。
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再来看函数形式稍有不同的任意矢量V=(q/r^2)r的散度,
div V=
q{【x/(x+y+z)^2】/x
+【y/(x+y+z)^2】/y
+【z/(x+y+z)^2】 /z}
=0
(x/r^2)/x = 【x/(x+y+z)】/x
=[r^2 - x(x+y+z)/x] /r^4
=[r^2 - 2x^2/r] /r^4
所以:
div V= [r^2 - 2x^2/r]/r^4 + [r^2 - 2y^2r]/r^4 + [r^2 - 2z^2/r]/r^4
=(3/r^2) - [2(x+y+z)/r] /r^4
=(3/r^2) - (2/r^3)
=(3r-2)/r^3
≠0
只有当r=2/3时,才有div V=0,
这种场除r=2/3的球面上的点是“无源点”以外,处处都是“有源点”?
比如旋涡流场的速度矢量就是:V= C/r,
或者用矢量表示为:V= (C/r)r,
一般都假设水是不可压缩流体,那么在这种流场中,
除旋心以外的任意点的散度都应该为零才对,
比如取旋涡场内一个空心圆环管的一段看,流入和流出的量相等,
通量为零,所以当微段体积趋于零时,某点的散度也应该是零,
这也是流体力学中一个很典型的例子,
可也难以与散度的“偏导定义”结果相符。
以上的两种情况:V=r和V= (C/r)r的散度不为零,
说明了电场矢量的E=(q/r^3)r的散度为零,完全是偶然的数学巧合,
(而且这种巧合也很难解释“球面问题”)
而其它形式的矢量的散度很难为零,比如还可以用同样的方法证明:
V=(q/r^4)r 的散度为:
div V=(3/r^4)-(4/r^5)= (3r-4)/r^5 ≠0
可是按流体力学的假设,
这些形式的流场矢量,由于假设了流体是不可压缩的,
按通量定义的散度,就应该得到散度为零的结果才对:
而且通量的定义就是从流体力学而来的,
可是现在流体力学的问题却无法使用散度的“偏导定义”(算符定义)了?
这样的场论概括---散度的偏导定义---怎么能让人信服呢?
总不至于是一“场”数学游戏吧?
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