經典力學告訴你:愛情多麼殘酷!


經典力學是物理學的基礎組成部分。它們描述了萬物是如何運動的,並且研究了物體運動的原因。我們下面嘗試使用經典力學對愛情進行描述。


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牛頓運動定律

牛頓運動三定律是動力學的基本規律。我們假設愛情是一種作用力,把人作為研究對象,則推廣得到愛情三定律如下:


  • 愛情第一定律:任何人都將保持其單身或戀愛狀態,除非作用於他的愛情力迫使他改變這種狀態。
  • 愛情第二定律:情感狀態的變化與所作用的愛情力成正比。
  • 愛情第三定律:兩個人之間的愛情作用力是相互的,大小相等,方向相反。


下面我們對這三定律進行更加詳細和定量的分析:


第一定律對應牛頓運動定律中的“慣性定律”,即力是改變物體運動狀態的原因。乍一看,將這一定律推廣到愛情之中,十分自然和準確。這說明:想要脫單,要麼有人喜歡你,要麼你想辦法去追到別人。但如果你是單身狗,而且沒有人喜歡你,並且你還不主動,那麼你就別白日做夢某天你會突然脫單了!天天宅在家裡和宿舍是不會改變你的單身狀態的!

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牛頓第二定律表述為“物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比,且與物體質量的倒數成正比;加速度的方向跟作用力的方向相同。”用公式表達為:

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考慮到m 的運動不變性,上式進而可寫為:

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其中,m 是物體的慣性質量,a 是加速度。


為了將愛情統一進該框架,我們假設愛情是一種作用力,則有如下公式成立:

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其中,Flove 是愛情作用力;mc 是慣性魅力,表示一個人的魅力值大小,其中,魅力值與外貌、學識、能力、財富等有關。在長時間跨度上,一個人的 mc 是會變化的;但在短時間內,可認為mc 是一個定值;v 表示戀愛進展,v 越大代表戀愛的感覺越明顯,進展越快;a 在這裡是一個重要的量,稱為戀愛加速度,表示一個人陷入戀愛關係的快慢。a 越大,說明沉迷於該戀愛關係的速度越快。a 衡量了一個人對另一個人陷入感情漩渦的深淺(迷戀對方的程度)。


牛頓第三定律說明了這樣的事實,力是相互的,A對B施加了一個力,那麼B對A也會產生一個大小相同但方向相反的反作用力,並且作用力和反作用力是同一性質的力。值得注意的是,雖然作用力與反作用力大小相同,但是作用在不同的物體上,而且產生的作用效果也不一定相同。


正如上面說的,雖然作用力與反作用力大小相同,但力的作用效果卻可以不一樣。例如,對於相互吸引的愛情來說,愛情作用力的作用效果就是讓對方喜歡上你,也即讓對方的增大。根據上面的公式,不難看出,在相同的愛情作用力 Flove 下,一個人的慣性魅力mc 越大,a 就越小。這就好比很多人心中的愛豆,這些明星的mc 值很大,對於相同的Flove,明星的a 值很小很小,但是粉絲的a 值卻很大很大。於是,粉絲就會不可自拔地“愛上”這些明星,陷入戀愛的漩渦,產生這是自己的對象的錯覺,天天和別人說這是自己的老公/老婆,並且為之爭風吃醋。然而,明星們卻絲毫不會為之所動,甚至連你是誰都不知道。


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相互作用力

迄今為止,我們發現自然界中存在四種基本的相互作用力:萬有引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。愛因斯坦在提出相對論之後,就一直在研究“大統一理論”,希望能將四種基本作用力統一到一個框架之下。其中,電磁作用和弱相互作用已被統一為電弱作用。


強作用和弱作用是短程力,作用範圍僅僅在原子核尺度內;電磁作用和引力作用則是長程力,大小隨距離的二次方反比衰減。

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生活中常見的力除了重力屬於引力作用外,其他都屬於電磁作用,例如摩擦力、彈力等。


自然界中任何物體之間都存在萬有引力。萬有引力作用的大小為:

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其中,G=6.673 x 10-11N·m²/kg²,稱為引力常量。M 和m 為兩物體的質量,r 為它們之間的距離。


真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力可以用庫侖定律描述:

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其中,k 是靜電力常量,Q1 和Q2 分別為兩個電荷所帶電量(帶符號)。


庫侖定律和萬有引力定律中相互作用的兩個物體,它們不需要發生接觸就對彼此產生了作用力,因此也被稱為超距作用。不過,隨著物理研究的深入,人們現在發現了場物質的存在。場物質之間通過接觸實現相互作用,場物質與物體之間也通過接觸實現相互作用,所以場是傳遞物質間相互作用的媒質。

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▲ 電場以及電場線,圖片來自 Brilliant


庫侖定律和萬有引力定律在形式上十分相近。不過,庫倫定律稍有特殊。研究發現,如果Q1 是靜電荷,Q2 是運動電荷,那麼靜電荷對運動電荷的作用力F2 在上式依然成立,但運動電荷對靜電荷的作用力F1 不再滿足上式,需要修正,並且隨著運動速度的提升,修正量越大。於是有下式:

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這是不是違背了牛頓第三定律了呢?事實上,在電荷周圍存在著某種“看不見”的物質,這種物質分佈在空間中且對電荷有作用力,我們把這種看不見的物質稱為電磁場。運動電荷與靜止電荷在電磁場中受力有差異。我們可以認為 F1 和F2 在這裡只是電磁場下的一對作用力與反作用力相對應的一對分力。所以在這種情況下,F1 和F2 的大小有所不同。

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▲ 地球磁場示意圖。圖片來自Earth's Magnetic Field image via Shutterstock


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異地感情衰減定律

我們可以很自然地將萬有引力定律推廣到愛情中:

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其中,G 為戀愛常量,是一個常數;r 為兩個人的距離;Mc、mc 為慣性魅力;ρ 為契合係數,與兩個人默契程度以及各自的慣性魅力分佈有關。


由此,我們得到了牛頓運動定律中Flove 的一種確定形式——愛情引力。


同萬有引力一樣,愛情引力與兩個人的距離平方成反比。隨著距離變大,兩個人之間相互吸引的引力也隨之衰減。這一點其實也很直觀,我們很多時候都是對身邊熟悉的人產生好感,遠隔千里的人我們就很難吸引彼此。


同樣,為了定量刻畫愛情發展的影響,我們引入以下概念:


  • Ek_love:戀愛動能,表示戀愛系統中的戀愛發展的能量,值越大說明戀愛過程越如火如荼,戀情發展越快,感情越好。戀愛動能的表達式如下
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  • Ep_Love:戀愛勢能,表示戀愛系統中的潛在發展的能量,可以轉化為戀愛動能或其他形式的能量。取無限遠處的勢能為0,則戀愛勢能的表達式如下:
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距離越遠,勢能就越大。當一對情侶分開一段時間之後,再次相聚時,勢能轉化為了動能,這就使得動能增大,如干柴遇上烈火,感情迅速升溫。這就是為什麼大家都說“小別勝新婚”。


下面我們來分析異地戀對感情的影響:


我們來計算情侶分開變為異地戀後損失的戀愛動能的大小。假設一對情侶原來的距離為s0,現在成為了異地戀,相隔的距離為s,則這個過程中戀愛引力做的功為:

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距離變遠,戀愛引力做負功,於是戀愛勢能增加|W|。能量守恆定律是萬物遵循的基本定律之一。根據能量守恆,在這個過程中,有

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可以看出,異地戀會導致愛情動能的減少。

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從圖像上可以看到,s 越大,愛情動能減少越多,就會導致戀愛進入停滯狀態,放緩兩個人關係的進展,感情逐漸消磨。最關鍵的是,戀愛勢能如果不及時轉化為戀愛動能,就會轉化為其他能量,長時間的耗散之下,雖然下一次轉化為動能時會令感情升溫,但是能轉化的總動能卻也隨之減少了,因為異地的時候消耗了太多能量。

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長此以往,兩個人之間的戀愛動能就會越來越少,感情逐漸消散。這就是著名的異地感情衰減定律:距離是破壞感情的一大因素,隨著距離的增加,感情也會隨之衰減。


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愛情胡克定律

生活中常見的力有重力、彈力、摩擦力、浮力等等。下面我們選擇彈力和摩擦力進行分析。


彈性物體會因為形變產生回覆力。假設彈性體無形變時的長度為L,稱為自由長度。通過拉伸或者壓縮後,物體發生了△x 的形變量,則物體產生的彈力可用胡克定律描述:

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其中,k>0,稱為勁度係數,與材料本身的性質有關。


我們對愛情建模如下:假設每個人是空間中的一個小球,小球系在一根彈性係數為 k 的彈簧上,如下圖所示:

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▲ 一張雖然抽象但是很有靈魂的示意圖


此時彈簧處於自由狀態,沒有拉伸。


假設空間中另一個人出現了。假設兩個小球的初始距離為L,小球的初速度均為0,兩根彈簧初始時均無形變,彈性係數均為k。牆固定不動,空間為理想空間,沒有能量耗散。此時,兩個小球就會開始運動。小球的加速度為:

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其中,Flove 是愛情引力。可以看出,小球將做變加速運動。事實上,這兩個小球會一直振動下去。為了簡化,我們假設Flove 不變(實際上Flove 是會改變的,因為引力與距離有關),那麼模型就退化成為了一個彈簧振子模型,小球做簡諧運動

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週期為:

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可以看到,慣性魅力m 越小,振動週期也越小,即運動的頻率越快。結合 牛頓運動定律中的內容,這說明:在一段戀愛關係中,慣性魅力m 大的一方處於主動一方。慣性魅力m 小的一方戀愛的感覺會更強烈,越容易出現小鹿亂撞的感覺。這就解釋了為什麼你在自己的男神/女神面前心會撲通亂跳,來回歡騰,可惜的是對方內心毫無波動甚至有些想笑。


上面我們將模型做了簡化,但事實上,Flove 在這裡是會改變的。此時,兩個小球仍然會做振動,不過不再是簡諧運動。這種情況下,求解此問題會變得更加複雜,這裡我們使用 Mathematica 軟件給出幾組數值解。

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▲ 用於模擬計算的參數分別為L=1,m1=m2=1,k1=k2=1,G=1


當距離太近時,兩小球會相撞,說明近親不能結婚在物理上也是有理論依據的!


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▲ 另一組用於模擬計算的參數, L=1,m1=m2=1,k1=k2=1,G=0.01


當引力較小時,近似於簡諧運動。

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▲ G=0.01,k1=1,k2=5,m1=m2=1,L=1


當兩個人魅力值相當時,勁度係數小的被吸引的距離會更遠,但勁度係數大的運動週期會更短。

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▲ G=0.1,k1=k2=1,m1=1,m2=0.5,L=1


當引力較大時,可以看出此時已經不是簡諧運動。


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愛情摩擦力

兩個物體接觸面具有相對滑動趨勢或已有相對滑動時,接觸面上會產生阻礙相對運動趨勢或阻礙相對滑動的力,這就是摩擦力。前者稱為靜摩擦力,後者稱為滑動摩擦力。


固態物理間的靜摩擦力大小是可變的,取決於受到的其他力的大小。但靜摩擦力有上限。實驗表明,最大靜摩擦力與兩物體接觸面間的法向彈力(例如正壓力與支持力)N 成正比,即

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其中,μs 是靜摩擦因數。


固態物體間的滑動摩擦力是一個定值,大小f 與N 成正比,有

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其中,μk 為滑動摩擦因數。一般來說,μs 大於μk 。

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▲ 動摩擦力與靜摩擦力關係示意圖。圖片來自 Doug Davis


這告訴我們:愛情中的兩個人無法避免地會發生摩擦,如果你對對方施加的壓力越大,那麼你們之間的摩擦力也就越大。摩擦力越大,戀愛動能耗散也就越大。這說明了吵架與摩擦,會讓彼此的感情消磨衰減。


總結一下:在經典力學下,愛情是一種相互作用力,其形式與萬有引力類似,由此我們得到了愛情運動三定律、異地感情衰減定律、愛情胡克定律等,解釋了為什麼單身狗會一直單身、為什麼大家在男神女神面前都願意做舔狗、異地戀為什麼分手快等現象。最終,我們發現,這些物理規律揭示了愛情殘酷的真相。理論上,單身狗基本上是沒救了,但情侶們也不要高興得太早,因為你們遲早也會回到最穩定的基態——單身態!


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