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为什么圆周率 π 在各种物理数学公式里面经常出现?
因为本质是,泊松方程的开空间格林函数。
物理学中很多物理关系都涉及同一个方程
Poisson’s equation

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这个方程在开空间中, 存在一个解析解

其中,
是开空间的格林函数,在三维情况下,

其中, 
是空间中两点的距离.。
并且,我们有

(delta函数)
——————————背景介绍完毕
——————————–
对于重力场来说,如果给定一个连续的密度分布,重力场势满足

而空间中的每一点所受的重力加速度,则由

来得到。现在我们带入格林函数,并且在x处求梯度,我们有

是对方向向量的单位化, 而这个也就是我们所熟知的万有引力定理了。
–相同质量粒子之间有引力, 力度的大小与距离的平方成反比。
其中
就是那个万有引力常量。
对于静电场力,同样的,给定一个连续的电密度分布,我们有:

静电粒子受的静电力加速度则由

给出。 此时,我们使用刚才同样的推导方法,不难得到

也就是静电场力:相同粒子之间存在斥力,力度的大小与距离的平方成反比。
对于电磁场或者流体里面的涡旋流,我们通常有一个稍微复杂点儿的关系:
给定一个连续的涡旋强度分布(或者电流强度分布),存在一个流函数(stream function)
满足

使得我们的速度场(或者电磁力场)可表达为该流函数的curl(
)

具体运算给大家留作练习(对右边的积分在x处求curl), 其答案是

也就是大家所知的右手旋转定理.。Biot-Savart law
而这也就是为什么那么多物理方程中,都有那么一个
的原因,因为格林函数是这些方程的基础解。
而我们需要

就由于对delta函数的归一化需求应运而生了。
参考:
via:张心欣(知乎)
by Jade
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