JOVANA
Explore Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
All guides

彈性波,以及張量通向何方

融會貫通——推導彈性波方程、發現固體中的兩種聲速(P 波與 S 波)、用它們為地球做斷層掃描,並看見這些張量如何通向流體、場論與相對論。

一個主方程,一次代入

回想我們建好的工具:轉動用的慣量張量,以及變形用的應力與應變張量——全都是對稱二階機器。要找出固體如何運動,我們把迴路閉合:取柯西運動方程 \rho\,\ddot{u}_i = \partial_j\sigma_{ij},把應力代入各向同性虎克定律 \sigma_{ij}=\lambda\,\varepsilon_{kk}\delta_{ij}+2\mu\,\varepsilon_{ij}。一切化約到僅剩位移場。

\rho\,\ddot{\mathbf{u}} = (\lambda + \mu)\,\nabla(\nabla\!\cdot\mathbf{u}) + \mu\,\nabla^2\mathbf{u}

彈性動力學的納維方程——把虎克定律併入柯西定律,成為位移場的封閉波動方程。

一個方程裡藏著兩種波

納維方程看似一條方程,卻暗藏兩種波。把位移分解(亥姆霍茲分解)成無旋部分(壓縮物質)與無散部分(剪切物質)。每一部分都服從一個尋常的波動方程——各有自己的速度:

v_P = \sqrt{\dfrac{\lambda + 2\mu}{\rho}}, \qquad v_S = \sqrt{\dfrac{\mu}{\rho}}

縱波(P 波)橫波(S 波)彈性波速:P 波沿行進方向壓縮物質,S 波則使其側向剪切。

由於 \lambda\mu 皆為正,v_P > v_S 永遠成立——在每種固體中,壓縮波都跑贏剪切波。兩者之比只取決於帕松比:

\frac{v_P}{v_S} = \sqrt{\frac{\lambda + 2\mu}{\mu}} = \sqrt{\frac{2(1-\nu)}{1-2\nu}} > 1

P 波永遠領先 S 波;領先的幅度完全由帕松比 \nu 決定。

同樣的兩種變形,如今在傳播:正向應力驅動壓縮性的 P 波,剪應力驅動橫向的 S 波。

用兩種波速為地球做斷層掃描

這是地震學的基石。地震同時輻射出兩種波。較快的 P 波(初達波)先到,S 波(次達波)後到;兩者之間的時間差告訴地震儀震源在多遠處。把全球台網上這些到時加以計時,就重建出任何鑽頭都到不了的行星分層內部。

誠實地說,真實的地球是分層、各向異性且略帶耗散的,所以簡單的兩速各向同性模型只是首階近似——但正是它開啟了整個學門,其餘一切都是對它的精修。

整個主題的統整

退一步,看清這條弧線。從質點出發,我們長出了兩套關於有體積物質的理論。剛體轉動:慣量張量、其主軸、歐拉方程、進動的陀螺儀。變形:應變與應力張量、虎克定律、柯西方程,以及如今的彈性波。共同的主線再清楚不過——對稱二階張量,以及它們所定義的線性機器。

這些觀念的觸角極廣:太空船姿態控制與反作用輪(陀螺);旋轉步槍子彈的穩定性與拋出扳手的翻滾;梁與橋為何以特定方式彎曲;鋼軌中的聲速;超音波成像;以及繪出行星核心的地震學。

張量接下來通向何方

讓剪切模數降到零、允許物質流動,連續體力學就成了流體力學。讓應力取決於應變的變化率而非應變本身——那就是黏滯性——你便抵達納維-斯托克斯方程,以及湍流這道尚未破解的謎。

應力張量本身也不斷推廣。在電磁學中,馬克士威應力張量攜帶場的動量;在相對論中,應力-能量張量正是愛因斯坦方程中重力的源頭。你為一根鋼條建立的二階張量,在數學上,就是那個使時空彎曲的同一個物件。