你真的了解圆周运动吗?为你解析圆周运动和波的深层联系

圆是最具有几何美感的图形,而圆上一个点沿着圆所做的圆周运动也是非常具有美感的运动。如果将这个点做成一条阴阳鱼的形状,这个运动就成为了太极图,它是如此美丽,蕴藏着自然的深层奥秘。

波的传播也是自然界的基本运动形式之一,是物理学研究不可缺少的对象。波的运动包括很多例子,绳波、水波、声波、电磁波、概率波等等,波可以说无处不在,没有波的世界将无法想象。但不管如何,这些波都是一样的数学模型,在我们的三维空间中以正弦函数的数学形式传播,这说明无论这些波的物理原理是什么,他们必定存在着一些共同之处。

那我们就从数学角度看一下,圆周运动和正弦波到底有什么联系。

在一个平面坐标系中画一个圆,让上面一点开始沿着圆运动起来。集中注意力,想象一下!这时,我们观察这个点在两条轴上的投影点就会发现,这两个点都在做简谐振动。如果你忘了什么叫简谐振动,就想象一下一个弹簧,猛拉一下然后松开手时的情景。回来再看,还可以发现,更加美妙的是,不管我们如何转动这个坐标系,这两个投影都将会是一样的简谐振动。也就是说,圆是一个在所有方向上都做简谐振动的运动。

那么,再来看看波。仔细观察你就会发现,波实际上两种运动的叠加:一个方向上的简谐振动和垂直于这个方向的匀速平移运动。而我们知道,波是必然要向外扩散的,在实际场景中,波在整个二维平面如水波,或者三维空间如声波中传播,而不是仅限于一维的那种简谐振动。这样,我们抓住了其重点,那就是,波实际上是简谐振动在一维、二维或者三维空间中的传播,它本质上还是一种简谐振动。

同样包含简谐运动的圆和波之间存在着一些千丝万缕的联系,或者可以说是波里面包含了一些圆的运动成分。他们有一个共同本质,就是那个受力与距离的正比关系,即在某一个方向上,这个点受到的拉力都正比于其与原点的距离。只不过,圆是在所有方向上都如此。在圆周运动中,其拉力是不变的,但在任意一个方向上,拉力和垂直距离都在以相同的正弦函数变化,这也就是其在任意一个方向上都做简谐振动的原因。这样看来,圆真是一个完美的图形。

那么,有了这些关于几何知识的分析,我们再去思考一下前面提到的那个量子力学中那个令人迷惑不解的概率波。如果不了解什么是概率波,可以去看看电子的双缝干涉实验。从上面的分析中可以看出,不管这概率波点背后到底是一种什么机理,可以肯定的是,其背后有着一种类似圆,或者是简谐振动的机理在起作用,具体可能与时空的本性有关,目前尚不得而知。

而这种几何带来的美感在现实世界中的体现真是令人神往,感叹数学力量的伟大,同时思考宇宙的终极奥秘。

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