§2-4 算符▽

现在我们就能够做一件非常有趣而巧妙的事情——并且是使数学绚丽多彩的一些事物的标志。前面对T的梯度或▽T是一个矢量的论证,与我们究竟对哪一个 标量场进行微分无关。假若T被任一标量场 代替,所有论证可以同样进行。既然不管我们对什么求导,那些变换公式都相同,那么就可以略去T而由一个算符方程

038-1

来代替式(2.26),正如金斯(Jeans)曾经说过的那样,我们让算符“忙于对某事物求导”。

由于这些微分算符本身就已如同一个矢量的分量那样进行变换,所以我们可以称它们为一个矢量算符 的分量,即可以写成:

038-2

我们已经把T去掉而使梯度抽象化了——这是一个绝妙的想法。

当然,你必须始终记住▽是个算符。它单独没有什么意义。如果▽本身没有什么意义,那么要是乘以一标量——比如T——那乘积T▽又会有什么意义呢(我们总可以用一标量乘一矢量)?它仍然不具有什么意义。它的x分量是

038-3  (2.30)

它不是一个数,而仍然是某种算符。然而,按照矢量代数,我们仍可以把T▽称为一个矢量。

现在让我们在▽的另一边乘上一标量,使之形成乘积(▽T)。在普通代数中

TA=AT, (2.31)

但我们得记住,算符代数稍有别于普通的矢量代数。用算符时,必须时刻保持正确顺序,以便使运算构成适当的意义。如果你真正记住了算符▽遵循与微商符号相同的惯例,那你就不会有任何困难。凡要求导的东西一定要放在▽的右边。这里,先后次序是重要的。

记牢了这个次序问题,我们就懂得T▽是一个算符,但▽T却不再是一个饥饿的算符,该算符已完全被满足了。并且它确实是一个有意义的物理矢量,代表T的空间变化率。▽T的x分量就是T在x方向上变化得多快。矢量▽T的方向是什么?我们知道,T在任一方向上的变化率等于▽T在该方向的分量,参见式(2.15),由此可以推知,▽T的方向是它最大而可能存在的分量的方向——换句话说,是T变化得最快的方向。T的梯度具有(在T处)最急剧上升的斜率的方向。