用兩個小球做一個簡單的實驗,如上圖所示。右邊的球A,開始向左運動。左邊的球B,一開始靜止。碰撞之後,B也開始運動,接觸到牆之後,就會反過來,向右運動。
如此反覆,要碰撞多少次才會停止呢?
這就到了最有意思的地方來:
若A的質量是B的100倍,就需要31次碰撞;
若A的質量是B的10000倍,就需要314次碰撞;
若A的質量是B的1000000倍,就需要3141次碰撞;
若A的質量是B的100000000倍,就需要31415次碰撞;
……
看到了沒有,這裡出現了圓周率——圓周率的近似值是:3.1415,恰好與上面的數字相符。
那麼,這裡的圓周率從何而來呢?
物理學家理查德·費曼每次在公式中見到Pi時,,都常常問:「圓在哪裡?」
對於這一個問題,我們也來看看,圓在哪裡?
在這個問題中,有兩個守恆量:能量與動量,而圓,就在能量守恆之中。
重要的事情重複一遍:圓,就在能量守恆之中!
兩個小球的能量守恆表達式是這樣的:
如果它們質量相等,那所有可能出現的(V_A, V_B)對,就都在一個圓上。
那如果質量不相等呢?我們定義一個新的量:
這樣,能量守恆表達式就變成了:
不論什麼時候,就都是一個圓了。
也就是這樣
如果我們用很多點來表示碰撞前後,兩個小球的狀態,那它們一定在這個綠色的圓上。
在一開始,B球不動,A球運動,那麼就可以用0號圓點表示現在的狀態。
然後,A與B相碰,這個時候,就要考慮動量守恆了:
這個時候,我們有關於\ce_A的表達式:
是一條傾斜向下的直線。一開始,這條直線過0點,我們找到它與綠球的交點,那個點就是第一次碰撞後的狀態,請看這張圖:
第一次碰撞之後,系統變為1點的狀態。而後,B球一定會先與牆壁碰撞,速度反向,那麼就會到達2點。
這個時候,我們再重複前面的工作:繪製一條傾斜向下、斜率相同的直線:
如此重複,我們就通過作圖的方法,得到了8個碰撞點的系統狀態。系統在最後,A、B兩球都向右,且A的速度大於B,此時系統不會再有新的碰撞。
好,那這與Pi又有什麼關係呢?
我們再來看看那條傾斜向下的直線:
當m_A >> m_B時,這條直線的斜率就遠小於1. 根據下面的圖,由幾何關係可以知道,δ=2θ。
對於任意選取的A點,我們有對面的B點,以及從A出發,順時針旋轉得到的C點。
我們的目標,是找到δ的表達式,如果δ=kθ那問題就非常非常簡單,也非常非常美妙了!
根據幾何關係,確定BC位置之後,圓上任意A點的角度不變,那麼很容易就可以得到δ=2θ
到了這裡,問題就極為清晰了!
每兩次碰撞,就相當於在圓上旋轉了δ=2θ 度,而且這個角度只與AB質量之比有關。與其他的東西都沒有關係。
這個時候,我們代入m_A = 100,000,000m_B (10^8 m_B),那就有sqrt(m_B/m_A)=10^4,對於2Pi角度,需要旋轉:
次,對應的,就是31415次碰撞!
Q.E.D
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