[02] 高斯定理:关于引力的计算

回到引力这个物理量。作为同时具备大小与方向的物理量,力是矢量,从而引力场可以用矢量场来描述。引力这类矢量有一个特点,大体上讲,这类有心力是从四面八方指向一个源的。对于矢量场的汇合(由外朝内)或者说发散(由内朝外)程度,可以用散度(divergence)来描述:
\vec{\nabla}\cdot\vec{A}=\partial_x A_x+\partial_y A_y + \partial_z A_z

在描述引力场之前,不妨先用水流作为类比。取水管的一个截面,由物质守恒,或者说连续性原理,如果发现流出的水比流入的更多,说明这个截面一定还有额外流入的水流,或者说,这个截面是有源的。


水流

我们对这个截面做一个环路积分,积分得到的结果就是这个截面所“产生”出来的水量。很显然,产生出的水量是与截面内部的水源相关的。这正是数学上的Gauss(高斯)定理:
\int_V{\nabla \cdot \vec{A}\text{d}V=\oint_{\partial _V}{\vec{A}\cdot \text{d}\vec{S}}}

或者写成微分形式,例如大家所熟知的Maxwell方程之一:
\nabla \cdot \vec{\mathrm{E}}=\frac{1}{\varepsilon_{0}} \rho

对于电场力与引力这样的有心力,可以很方便地利用Gauss公式计算某处场强。最简单的例子:一个质点质量为m,问他在距离为r的地方所激发出的引力大小为多少。
由Gauss公式,左式与半径为r的虚拟球内部的质量相关,也就是
\int_{V} \nabla \cdot \vec{A}_G d V=-4 \pi G \int_{V} \rho d V=-4\pi Gm
其中的\vec{A}_G为引力场的场强。而右式为引力场在虚拟球面上的通量,在内部的质量分布均匀时,积分的数值为:
4\pi r^2\cdot A_G
于是有
-4\pi Gm = 4\pi r^2\cdot A_G
得到场强A_G=-\frac{Gm}{r^2},其中的负号表示方向,沿半径向内。乘上被吸引物体的质量就得到了引力的大小。

我们感兴趣的是另一个问题:在一个匀质天体上挖一个深井,天体的半径为r,井深为h,那么井底所受到的引力应该怎么计算呢?类似的,利用Gauss公式,我们发现,引力只和井底内部的质量相关,就宛如井底之外的质量不存在一样。所以得到引力场强为-\frac{Gm'}{(r-h)^2},其中内部的质量m'\propto r^3, m'=m\frac{(r-h)^3}{r^3},因而最后得到的引力场强为-\frac{Gm(r-h)}{r^3}。显然h=0时,也就是地表的引力最大。

另外以Gauss命名的公式有很多,物理里面很常用的还有一个Gauss积分,通常和概率有一些联系,大概是:
\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^{2}} d x=\sqrt{\pi}

这个式子并不难积,平方之后直接换成极坐标就迎刃而解了。

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