
【计】 spherical symmetry
球对称 (Spherical Symmetry)
在数学和物理学中,“球对称”描述的是物体或系统在三维空间中围绕一个固定点(球心)旋转任意角度后,其形态或物理属性保持不变的性质。该术语强调空间分布或场在球坐标系下仅依赖于径向距离(半径),而与方向(经度、纬度)无关。
汉英词典释义
数学描述
一个函数 ( f(mathbf{r}) ) 若满足球对称性,则其在球坐标系中可表示为:
$$
f(r, theta, phi) = f(r)
$$
其中 ( r ) 为径向距离,( theta ) 和 ( phi ) 分别为极角和方位角。这意味着函数值仅取决于到原点的距离,与方向无关。
物理应用实例
在真空中,点质量或点电荷产生的引力场/静电场具有球对称性,其场强随半径增大而衰减(如牛顿万有引力定律 ( F propto r^{-2} ))。
氢原子的基态波函数(1s轨道)呈球对称分布,电子概率密度仅与原子核的距离相关。
各向同性宇宙学原理假设宇宙在大尺度上具有球对称性,即从任何方向观测均呈现均匀性。
权威来源参考
应用领域扩展
“球对称”是一个几何和物理学中的概念,指物体或系统的性质在三维空间中围绕某一点(中心)呈现完全对称的状态。具体来说:
几何定义
若一个物体绕其中心任意旋转后形状保持不变,则称为球对称。例如,完美球体的质量分布、温度分布等性质均满足球对称。
数学表达
在球坐标系中,球对称性表现为物理量仅与到中心的距离(径向坐标 ( r ))有关,与方位角 ( theta ) 和极角 ( phi ) 无关。例如,点电荷的电场强度公式:
$$
E(r) = frac{1}{4pivarepsilon_0} frac{Q}{r}
$$
仅依赖 ( r ),体现了球对称性。
物理学应用
与“圆对称”的区别
圆对称是二维平面中的旋转对称(如圆形),而球对称是三维空间中的全方位对称。
实际意义
球对称性可大幅简化复杂方程的求解。例如,广义相对论中史瓦西黑洞的解、热传导方程的球对称形式等均依赖这一假设。尽管现实中完美球对称不存在(如地球的赤道隆起),但近似处理在科学研究中广泛应用。
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