【物理爱情】物理定律告诉你，爱情的真相！

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打扰了，在物理的世界中爱情更加残酷！

看完本文，你将知道以下知识点：

物理学，是一门研究物质运动规律及物质基本结构的学科， 物质、能量、运动、时空及其相互间关系都是物理学的研究范畴。 从宇宙星空到原子夸克，物理无所不包、无所不研，物理学的终极目的就是揭开宇宙万物的奥秘。

▲ Dominic Walliman 绘制的 物理学地图

经过几百年的发展，物理学大致可分为三个主要部分： 经典物理、量子物理、相对论 。其中，经典物理以牛顿力学为奠基，包括牛顿运动理论、热学、电磁学、光学等；普朗克辐射定律的提出标志着量子物理的诞生，该分支将研究重点聚焦在了微观粒子的运动规律上，包括原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构及性质等；相对论由爱因斯坦提出，包括狭义相对论和广义相对论，该理论把物质与能量、空间与时间统一了起来。

本文使用 经典物理、相对论、量子物理 分别对爱情进行了建模，得到了一系列关于爱情的定律和启示，包括 单身惯性定律、舔狗反作用力、异地感情衰减定律、恋爱能量耗散定律、暗恋叠加态表白坍塌现象、恋爱光电效应启示 等。经过一番推导，我们使用物理公式揭示了爱情残酷的真相： 理论上，单身狗基本上是没救了，但情侣们也不要高兴得太早，因为你们迟早也会回到最稳定的基态——单身态 。

经典力学是物理学的基础组成部分。它们描述了万物是如何运动的，并且研究了物体运动的原因。我们下面尝试使用经典力学对爱情进行描述。

牛顿运动三定律是动力学的基本规律。我们假设爱情是一种作用力，把人作为研究对象，则推广得到爱情三定律如下：

下面我们对这三定律进行更加详细和定量的分析。

第一定律对应牛顿运动定律中的 “惯性定律” ，即力是改变物体运动状态的原因。乍一看，将这一定律推广到爱情之中，十分自然和准确。这说明： 想要脱单，要么有人喜欢你，要么你想办法去追到别人。 但如果你是单身狗，而且没有人喜欢你，并且你还不主动，那么你就别白日做梦某天你会突然脱单了！天天宅在家里和宿舍是不会改变你的单身状态的！

牛顿第二定律表述为“物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。”用公式表达为：

考虑到 m 的运动不变性，上式进而可写为：

其中，m 是物体的惯性质量，a 是加速度。

为了将爱情统一进该框架， 我们假设爱情是一种作用力 ，则有如下公式成立：

其中， F love 是爱情作用力，具体的形式和性质我们将在1.1.2 节中讨论。

m c 是惯性魅力，表示一个人的魅力值大小。其中，魅力值与外貌、学识、能力、财富等有关。在长时间跨度上，一个人的 m c 是会变化的；但在短时间内，可认为 m c 是一个定值。

v 表示恋爱进展， v 越大代表恋爱的感觉越明显，进展越快。

a 在这里是一个重要的量，称为 恋爱加速度 ，表示一个人陷入恋爱关系的快慢。 a 越大，说明沉迷于该恋爱关系的速度越快。 a 衡量了一个人对另一个人陷入感情漩涡的深浅（迷恋对方的程度）。

牛顿第三定律说明了这样的事实，力是相互的，A 对 B施加了一个力，那么 B 对 A 也会产生一个大小相同但方向相反的反作用力，并且作用力和反作用力是同一性质的力。值得注意的是，虽然作用力与反作用力大小相同，但是作用在不同的物体上，而且产生的作用效果也不一定相同。

正如上面说的，虽然作用力与反作用力大小相同，但力的作用效果却可以不一样。例如，对于相互吸引的爱情来说，爱情作用力的作用效果就是让对方喜欢上你，也即让对方的增大。根据上面的公式，不难看出， 在相同的爱情作用力 F love 下，一个人的惯性魅力m c 越大，a 就越小 。这就好比很多人心中的爱豆，这些明星的 m c 值很大，对于相同的 F love ，明星的 a 值很小很小，但是粉丝的 a 值却很大很大。 于是，粉丝就会不可自拔地“爱上”这些明星，陷入恋爱的漩涡，产生这是自己的对象的错觉，天天和别人说这是自己的老公/老婆，并且为之争风吃醋。然而，明星们却丝毫不会为之所动，甚至连你是谁都不知道。

迄今为止，我们发现自然界中存在四种基本的相互作用力：万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。爱因斯坦在提出相对论之后，就一直在研究“大统一理论”，希望能将四种基本作用力统一到一个框架之下。其中，电磁作用和弱相互作用已被统一为电弱作用。

强作用和弱作用是短程力，作用范围仅仅在原子核尺度内；电磁作用和引力作用则是长程力，大小随距离的二次方反比衰减。

生活中常见的力除了重力属于引力作用外，其他都属于电磁作用，例如摩擦力、弹力等。

自然界中任何物体之间都存在 万有引力 。万有引力作用的大小为：

其中，G = 6.673 x 10 ^-11 N·m ² /kg ² ，称为引力常量。M 和 m 为两物体的质量，r 为它们之间的距离。

真空中两个静止点电荷之间的相互作用力可以用 库仑定律 描述：

其中，k 是静电力常量，Q 1 和 Q 2 分别为两个电荷所带点量（带符号）。

库仑定律和万有引力定律中相互作用的两个物体，它们不需要发生接触就对彼此产生了作用力，因此也被称为 超距作用 。不过，随着物理研究的深入，人们现在发现了场物质的存在。场物质之间通过接触实现相互作用，场物质与物体之间也通过接触实现相互作用，所以场是传递物质间相互作用的媒质。

▲ 电场以及电场线，图片来自 Brilliant

库仑定律和万有引力定律在形式上十分相近。不过，库伦定律稍有特殊。研究发现，如果 Q 1 是静电荷， Q 2 是运动电荷，那么静电荷对运动电荷的作用力 F 2 在上式依然成立，但运动电荷对静电荷的作用力 F 1 不再满足上式，需要修正，并且随着运动速度的提升，修正量越大。于是有下式：

这是不是违背了牛顿第三定律了呢？事实上，在电荷周围存在着某种“看不见”的物质，这种物质分布在空间中且对电荷有作用力，我们把这种看不见的物质称为 电磁场 。运动电荷与静止电荷在电磁场中受力有差异。我们可以认为 F 1 和 F 2 在这里只是电磁场下的一对作用力与反作用力相对应的一对分力。所以在这种情况下，F 1 和 F 2 的大小有所不同。

▲ 地球磁场示意图。图片来自 Earth's Magnetic Field image via Shutterstock

正如在参考文献 [1] 中所述，我们可以很自然地 将万有引力定律推广到爱情中 ：

其中，

G：恋爱常量 ，是一个常数；

r：两个人的距离 ；

M c 、m c ：惯性魅力 ，已在 1.1.1 节中阐明；

ρ：契合系数 ，与两个人默契程度以及各自的惯性魅力分布有关。

由此，我们得到了 1.1.1 节中 F love 的一种确定形式—— 爱情引力 。

同万有引力一样，爱情引力与两个人的距离平方成反比。 随着距离变大，两个人之间相互吸引的引力也随之衰减。这一点其实也很直观，我们很多时候都是对身边熟悉的人产生好感，远隔千里的人我们就很难吸引彼此。

同样，follow 文献 [1] ，为了定量刻画爱情发展的影响，我们引入以下概念：

E k_love ： 恋爱动能 ， 表示恋爱系统中的恋爱发展的能量 ，值越大说明恋爱过程越如火如荼，恋情发展越快，感情越好。恋爱动能的表达式如下

E p_Love ： 恋爱势能 ， 表示恋爱系统中的潜在发展的能量 ，可以转化为恋爱动能或其他形式的能量。取无限远处的势能为 0，则恋爱势能的表达式如下：

距离越远，势能就越大。当一对情侣分开一段时间之后， 再次相聚时，势能转化为了动能 ，这就使得动能增大，如干柴遇上烈火，感情迅速升温。这就是为什么大家都说 “小别胜新婚” 。

下面我们来分析 异地恋 对感情的影响。

我们来计算情侣分开变为异地恋后损失的恋爱动能的大小。假设一对情侣原来的距离为 s 0 ，现在成为了异地恋，相隔的距离为 s，则这个过程中恋爱引力做的功为：

距离变远，恋爱引力做负功，于是恋爱势能增加 |W|。能量守恒定律是万物遵循的基本定律之一。根据能量守恒，在这个过程中，有

可以看出， 异地恋会导致爱情动能的减少 。

从图像上可以看到，s 越大，爱情动能减少越多，就会导致恋爱进入停滞状态，放缓两个人关系的进展，感情逐渐消磨。最关键的是，恋爱势能如果不及时转化为恋爱动能，就会转化为其他能量，长时间的耗散之下，虽然下一次转化为动能时会令感情升温，但是能转化的总动能却也随之减少了，因为异地的时候消耗了太多能量。

长此以往，两个人之间的恋爱动能就会越来越少，感情逐渐消散。这就是著名的 异地感情衰减定律： 距离 是破坏感情的一大因素，随着距离的增加，感情也会随之衰减。

生活中常见的力有重力、弹力、摩擦力、浮力等等。下面我们选择弹力和摩擦力进行分析。

弹性物体会因为形变产生回复力。假设弹性体无形变时的长度为 L，称为自由长度。通过拉伸或者压缩后，物体发生了 △x 的形变量，则物体产生的弹力可用 胡克定律 描述：

其中，k > 0，称为 劲度系数 ，与材料本身的性质有关。

我们对爱情建模如下： 假设每个人是空间中的一个小球 ，小球系在一根弹性系数为 k 的弹簧上，如下图所示：

▲ 一张虽然抽象但是很有灵魂的示意图

此时弹簧处于自由状态，没有拉伸。

假设空间中另一个人出现了。假设两个小球的初始距离为 L，小球的初速度均为 0，两根弹簧初始时均无形变，弹性系数均为 k。墙固定不动，空间为理想空间，没有能量耗散。此时，两个小球就会开始运动。小球的加速度为：

其中， F love 是爱情引力。可以看出，小球将做变加速运动。事实上，这两个小球会一直振动下去。为了简化，我们假设 F love 不变（实际上 F love 是会改变的，因为引力与距离有关），那么模型就退化成为了一个 弹簧振子模型 ，小球做简谐运动

周期为：

可以看到， 惯性魅力 m 越小， 振动周期 也越小，即运动的频率越快。结合 1.1.1 节中的内容，这说明： 在一段恋爱关系中，惯性魅力 m 大的一方处于主动一方。惯性魅力 m 小的一方恋爱的感觉会更强烈，越容易出现小鹿乱撞的感觉。 这就解释了为什么你在自己的男神/女神面前心会扑通乱跳，来回欢腾， 可惜的是对方内心毫无波动甚至有些想笑 。

上面我们将模型做了简化，但事实上， F love 在这里是会改变的。此时，两个小球仍然会做振动，不过不再是简谐运动。这种情况下，求解此问题会变得更加复杂，这里我们使用 Mathematica 软件给出几组数值解。

▲ 用于模拟计算的参数分别为 L = 1，m 1 = m 2 = 1 ，k 1 = k 2 =1，G = 1

当距离太近时，两小球会相撞，说明近亲不能结婚在物理上也是有理论依据的！

▲ 另一组用于模拟计算的参数, L = 1，m 1 = m 2 = 1 ，k 1 = k 2 =1，G = 0.01

当引力较小时，近似于简谐运动。

▲ G = 0.01，k 1 = 1，k 2 = 5，m 1 = m 2 = 1，L = 1

当两个人魅力值相当时，劲度系数小的被吸引的距离会更远，但劲度系数大的运动周期会更短。

▲ G = 0.1，k 1 = k 2 = 1，m 1 = 1, m 2 = 0.5，L = 1

当引力较大时，可以看出此时已经不是简谐运动。

关于这个问题更多的细节和延伸，我们将其 remain as an open issue，欢迎大家积极讨论！

两个物体接触面具有相对滑动趋势或已有相对滑动时，接触面上会产生阻碍相对运动趋势或阻碍相对滑动的力，这就是 摩擦力 。前者称为静摩擦力，后者称为滑动摩擦力。

固态物理间的静摩擦力大小是可变的，取决于受到的其他力的大小。但静摩擦力有上限。 实验表明，最大静摩擦力与两物体接触面间的法向弹力（例如正压力与支持力）N 成正比 ，即

其中 μ s 是静摩擦因数。

固态物体间的滑动摩擦力是一个定值，大小 f 与 N 成正比，有

其中 μ k 为滑动摩擦因数。一般来说， μ s 大于 μ k 。

▲ 动摩擦力与静摩擦力关系示意图。图片来自 Doug Davis

这告诉我们： 爱情中的两个人无法避免地会发生摩擦 ，如果你对对方施加的压力越大，那么你们之间的摩擦力也就越大。 摩擦力越大，恋爱动能耗散也就越大 。这说明了吵架与摩擦，会让彼此的感情消磨衰减。

热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科。它与统计物理学分别构成了热学理论的宏观和微观两个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质。下面我们从热力学的角度分析爱情。

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在一切涉及宏观热现象过程中的具体表现。其本质就是普适的能量守恒定律。

热力学第一定律可表述为： 热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

设系统发生变化时，与外界交换的热量为 Q （吸热为正，放热为负） ，与外界交换的功为 W （对外做功为负，外界对系统做功为正 ），可得热力学能 （亦称内能） 的变化为：

我们接下来把恋爱中的两个人看作一个系统。系统的内能越大，说明两个人的恋情发展得越好，感情越热火朝天。热力学第一定律说明： 想要让恋情发展得好，就必须源源不断地从外界吸收热量（例如制造浪漫、看电影、烛光晚餐、旅游等），或者让外界对系统做功（让朋友、家人疯狂撮合与打call）。

如果恋爱系统放热（吵架、劈腿）或者外界对系统做了负功（父母不同意，对情侣施压），那么两个的感情就会降温，失去热情。

热力学第二定律是限定实际热力学过程发生方向的热力学规律。该定律有如下几种表述方式。

开尔文表述 ：不可能从单一热源吸收热量，并使之完全变成有用功而不产生其他影响。开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为热的不可逆性。

克劳修斯表述： 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。这说明： 两个人的感情一旦变差，是不可能自发地再次回暖的 。

热力学第二定律还可以用熵增表述：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。这就引出了文献 [1] 中的恋爱能量耗散定律。

恋爱能量耗散定律 ：恋爱系统是一个耗散结构，谈恋爱是一个熵减过程。人们需要不断向该系统提供能量以维持稳定，否则系统的有序性就会被破坏。

▲ 熵增原理

从单身到恋爱，这是一个从无序到有序，从混乱到稳定的过程。 从这个角度来看，恋爱其实是一个熵减过程，其宏观表现包括：男生变得会收拾房间更注意卫生了，女生变得更加精致充满魅力了，两个人从陌生变得越来越熟悉了（信息熵减少）……

恋爱系统不是孤立系统，要想让该系统朝着稳定有序的方向发展，就必须从外界向系统内提供能量。这就要求恋爱中的至少一方要不断汲取外界的能量然后向注入到系统之中。

比如， 为了维持信息熵的稳定，你们可能每天都得打电话、聊微信、互道晚安，以此获取信息，增加彼此的熟悉感 ；为了保持新鲜感，你们需要经常设计一些浪漫的惊喜，制造一些温馨的氛围；为了维持系统的有序，你们可能需要放弃自己原有的一些生活习惯、兴趣爱好，去适应对方的生活节奏，融入到彼此的圈子，以此让系统达到有序一致； 钱也可以看作一种能量 ，有时为了维持恋爱系统的问题，你还必须把这种特殊的能量注入进去……

以上种种，无一不说明， 要维持恋爱关系的稳定，双方都必须投入大量的时间、精力、金钱 ，否则恋爱系统一旦与外部隔绝成为孤立系统，根据热力学定律，熵一定会自发增大，导致之前所做的一切努力都白费。

这就是为什么谈恋爱会很累的原因，一旦你无法再有精力将外界吸取的能量注入到恋爱系统之中，你就会感到累觉不爱，进而分手。

相对论由爱因斯坦提出，包括狭义相对论和广义相对论两部分。相对论颠覆了长期以来人们对宇宙、时间、空间的认识，提出了 “光速不变性”、“时间变慢”、“四维时空”、“时空扭曲” 等概念和原理。下面我们尝试使用相对论引入到爱情之中。

在经典力学中，牛顿的绝对时空观是所有经典理论的基础。伽利略和牛顿认为，时间和空间都是绝对的、彼此独立的，与物质的存在和运动无关。同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的，与参考系的选择无关。在绝对时空观下，我们可以推导得到伽利略变换。

19 世纪，麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦电磁场方程组。由该方程组可以推导得到：电磁波（光）在真空中各方向速率都是

其中， ε 0 是真空介电常数， μ 0 是真空磁导率。

但根据伽利略变换，光速在不同的惯性系中应该对应不同的测量值。于是，当时的人们认为应该存在一个绝对静止的参考系，称之为 “以太系” 。为了找到以太系，迈克尔逊和莫雷设计了一个光的干涉实验。如果真的存在绝对静止的以太系，那么该实验应该能观测到光的干涉条纹的移动。但令人失望的是，在测量精度足够的情况下，该实验并没有出现预期的结果。迈克尔逊-麦雷实验的失败，表明以太系不存在。这使得经典理论陷入了危机。

为了解决这个问题，爱因斯坦直接否定了以太的存在。他认为麦克斯韦方程组应该在所有的惯性参考系中都成立。更进一步，他认为物理世界的规律应该是简单而统一的，于是提出了狭义相对论的基本假设之一 —— 相对性原理 ：

作为普适的物理规则，爱情同样有相对性原理： 爱情规律对所有恋爱惯性参考系都是一样的 ，都具有相同的数学形式，不存在任何一个特殊的恋爱惯性参考系。

这说明，以上我们推导的所有爱情规律、公式，不以参考系的改变为转移。 无论你现在是恋爱速度为 0 的单身参考系，还是高速运动中的热恋参考系，你都将遵循这些恋爱定律，

该吵就得吵，该分就得分，该单就得单 ……

紧接上面的讨论，狭义相对论的另一个重要原理就是 光速不变原理 。

这说明无论是相对地面静止的光源，还是疾驰的汽车上面打出的大灯，光速都是一样的。光速不变原理与伽利略变换是矛盾的。因此，我们必须抛弃绝对的时空观。

根据相对性原理和光速不变原理，可以得到洛伦兹变换：

▲ 洛伦兹变换。左侧为正变换，右侧为逆变换。

其中 u 是两个惯性系的相对运动速度。

1. 当 u<

2. 运动物体在运动方向上尺度收缩

3. 运动物体的相对时间变慢
   

这就合理的解释了生活中的现象：

恋爱中的人 v 值很大，而单身的人 v 很小或者为零。 他们各自并不能感受出时间的变化，但实际上单身狗和情侣之间的时间间隔并不相同。 于是，当单身狗看到周围的情侣时，就会感觉他们怎么总在一起，有一种这对情侣已经在一起很久了的错觉。

情侣约会的时候，由于 v 值迅速增大，导致情侣间的时间尺度相对于平时的生活时间尺度变慢，但约会中的情侣并不能感受到这种变化。 一旦约会结束后，回归到正常的时间中，就会发现时间已经过去了很多。 这就是为什么情侣们总感觉自己没和他/她约会多长时间啊，怎么一天就过去了！

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

黑体是一个理想化的模型。它能完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射和透射。

▲ 维恩设计的理想黑体

黑体所辐射出的电磁波称为黑体辐射。