保守场 是什么
从一个点走到另一个点,场做的功不论走哪条路都一样,那样的场就叫保守场。保守场下面铺着看不见的高度地形,也就是势 φ,场是那片地形的梯度 F=∇φ。所以功只是起点和终点的高度差,路无关紧要。记号是旋度。保守场的旋度处处为 0,绕闭合环走一圈,总和恰好是 0。反过来,像旋涡那样旋度不是 0,那样的势根本不存在。同一件事实露出四张脸。旋度 0、势存在、路无关、闭合环的和为 0。四张脸其实是一个身体。重力和静电就是这张脸,不必沿每条路重新计算功的理由就在这里。
判断是不是保守场,最快的试验是旋度。用切换在两个场之间来回,差别马上显出来。在保守场 F=∇φ 上拖动探针,无论放在哪里,旋度 (∇×F)z 都贴在 0 上,点用绿色表示通过。旋度为 0,意思是没有让人打转的扭转,那就是下面铺着势的信号。换成旋涡 [−y, x],无论拖到哪里,旋度都冻在常数 2,点用橙色表示失败。只看一个点就能判定。只要有一处旋度不是 0,这个场就不是保守场。绿色和橙色标出通过和失败,旋度的数字用金色写出。
旋度为 0,就能把看不见的势 φ 整块找回来,箭头就是证据。保守场 F=∇φ 的箭头都指向颜色更亮的高处,也就是 φ 的上坡。拖动金色的点,那个位置的高度 φ 就以数字出现。这个值是从原点出发,沿着场积分,一步一步垒起来的高度。无论沿哪条路积分,值都相同,所以点放在哪里,φ 都定成一个数。因此只给了场,也能把铺在下面的地形 φ 一点一点还原。点旁边写着此处 F = ∇φ,表示箭头就是那一处的上坡。
现在用两条路直接看路无关。从 A 到 B 铺着两条路,一条是径直走的金色直线段,一条是向上大绕的蓝色绕行弧。按按钮一次点亮一条路,沿每条路做的功就以数字出现。因为是保守场,两个值相同,而且都恰好等于 φ(B) − φ(A)。端点的高度差一个数就把答案定完。如果是旋涡,两条路的值会分开,可是这里无论把路扭成什么样,起点和终点相同,答案就相同。这是保守场的核心。金色直线和蓝色绕行给出同一个数,就是图所显示的全部。
为什么两个值总是落在一起?因为线积分基本定理,也就是梯度定理。把端点 A 固定,拖动端点 B,就画出从 A 到 B 的金色的路。沿这条路的线积分 ∫C F·dr 和高度差 φ(B) − φ(A) 并排出现。无论把 B 拖到哪里,两个值总是一致。写成式子是 ∫C ∇φ·dr = φ(B) − φ(A)。路上垒起的小步,最后整齐地折成起点和终点的高度差。普通的积分必须顺着路上的每一个点走,保守场只要知道两个端点就结束。绿色的字在旁边写着两个值永远相等。
最后钉死一件事:不是每个场都有势。旋涡 F=[−y, x] 的旋度处处为 2。用滑块放大以原点为中心的环,周围的金色箭头都朝同一个方向转。绕一圈加起来的 ∮F·dr 以数字出现,在任何半径上都不是 0。准确地说它是 2πr²,环越大它越大。假如这个场有势 φ,按梯度定理,闭合环是出发=到达,∮ 必须是 0。∮ 不是 0 这一个事实,就证明这个旋涡根本没有势。它和保守场相反,这个结论用橙色的字写着。