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引入问题

我曾提了一个问题:为什么在各个“振动问题”中,能量都是和“振幅的平方”有关?

在机械问题中,振幅的含义是小质量块偏移平衡的位置,有位移的量纲;在光学问题中,振幅的含义是电磁场的振幅,有电场强度的量纲;在电路原理问题中,振幅的含义是电流的幅值,有电流的量纲……振幅各有各的物理含义,彼此不同

为了推导出能流正比于振幅的平方,在机械中用的是机械的动能与势能的公式,在光学中用的是电磁波的坡印廷矢量公式,在电学中又用的是焦耳定律(虽然也能用坡印廷)……推导中用的定律含义各不相同,互相无关,但最后竟然都得到“能流$\propto$幅值平方”这一结果,是不是巧合?

我现在提出一种解释:我们得意识到“能量”是最被大自然宠爱的物理量,大自然一定会把最好的数学结构安排给她,保证能量守恒的成立。如果知道了大自然的这点心思,就可以解释上面这个问题

在振动相关的问题中,用的数学都是Fourier级数,考虑这个数学工具中什么结构是最好的(能够描述能量守恒上)?答案就是“展开系数的平方和绝对收敛到原函数的模方”这一性质

对连续函数而言,把Parseval等式$|f| _ 2=\sum c _ k^2$ 解释成总能量等于各个分能量的加和,正好符合能量相加的结构$E _ {\text{total}}=\sum E _ i$,且“模”不随基的变更而改变,能够反映“守恒”的本质,这正合了大自然的心意。因此,如振动问题这样使用Fourier级数描述的问题中,能量都会坐稳“用平方表示”(理解成模的平方)这个位置,因为这个数学结构来描述之太适合不过了。如果采用别的方法表示,哪来这么好的收敛性(保证能量不发散)以及这么好的不变性(体现能量与基的选取无关)?

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