# 多極展開[编辑]

在物理學裏，**多極展開**（英語：Multipole expansion）廣泛應用於涉及於質量分佈產生的重力場、電荷分佈產生的電勢或電場、電流分佈產生的磁向量勢和磁場、電磁波的傳播的問題。使用多極展開，重力場或電勢等等，都可以表達為單極項、偶極項、四極項、八極項及更多項的疊加。一個典型的例如是，從原子核的外部多極矩與電子軌域的內部多極矩之間的交互作用能量，計算求得原子的原子核外多極矩。原子核的外多極矩可以得出原子核內部的電荷分佈，因為物理學家可以藉此研究原子核的形狀。

做理論運算時，在允許的誤差範圍內，時常可以只取多極展開的最低階的幾個非零項目，忽略其它項目，因為它們的數值極小。

## 電勢的多極展開式

給予在源位置 WIKINIUM\_MATH\_PH\_0 的電荷分佈或電流分佈，計算在場位置 WIKINIUM\_MATH\_PH\_2 產生的電勢或磁向量勢。
在靜電學裏，設定電荷密度分佈 WIKINIUM\_MATH\_PH\_4 ，則其產生的電勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_6 為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_8 ；
其中， WIKINIUM\_MATH\_PH\_10 是場位置， WIKINIUM\_MATH\_PH\_12 是源位置， WIKINIUM\_MATH\_PH\_14 是積分的體積區域。

假設體積區域 WIKINIUM\_MATH\_PH\_16 是在以原點為圓心、半徑為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_18 的圓球內部，則在圓球以外，電勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_20 可以多極展開。文獻裏常見到兩種電勢的多極展開方法。一種展開為直角坐標 WIKINIUM\_MATH\_PH\_22 的泰勒級數，稱為「笛卡兒多極展開」（Cartesian multipole expansion）；另一種是用距離倒數的冪和球諧函數展開，是以球坐標表示，稱為「球多極展開」（spherical multipole expansion）。

### 笛卡兒多極展開

任意函數 WIKINIUM\_MATH\_PH\_24 在原點 WIKINIUM\_MATH\_PH\_26 的泰勒級數為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_28 ；
其中， WIKINIUM\_MATH\_PH\_30 是對於 WIKINIUM\_MATH\_PH\_32 的偏微分。

設定 WIKINIUM\_MATH\_PH\_34 ，則 WIKINIUM\_MATH\_PH\_36 對於 WIKINIUM\_MATH\_PH\_38 的偏微分為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_40 、
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_42 ；
其中， WIKINIUM\_MATH\_PH\_44 是克罗内克记号。

所以 WIKINIUM\_MATH\_PH\_46 在原點 WIKINIUM\_MATH\_PH\_48 的泰勒級數為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_50 。
將這展開式代入電勢的方程式，則可得到

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_52 。
總電荷（電單極矩） WIKINIUM\_MATH\_PH\_54 、電偶極矩 WIKINIUM\_MATH\_PH\_56 、電四極矩（electric quadrupole moment） WIKINIUM\_MATH\_PH\_58 分別以方程式定義為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_60 、
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_62 、
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_64 。
則電勢的電單極矩、電偶極矩、電四極矩等等「笛卡兒多極矩」項目的總貢獻為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_66 。
### 球多極展開

場位置與源位置之間距離的倒數， WIKINIUM\_MATH\_PH\_68 ，可以用球諧函數 WIKINIUM\_MATH\_PH\_70 展開為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_72 ；
其中， WIKINIUM\_MATH\_PH\_74 與 WIKINIUM\_MATH\_PH\_76 的球坐標分別為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_78 與 WIKINIUM\_MATH\_PH\_80 。

將這展開式代入電勢的方程式，則可得到

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_82 。
電荷分佈的球多極矩 WIKINIUM\_MATH\_PH\_84 以方程式定義為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_86 。
則電勢可以以球多極矩表示為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_88 。
注意到 WIKINIUM\_MATH\_PH\_90 。以下列出幾個最低階的球多極矩的表達式，以及與笛卡兒多極矩之間的關係：

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_92 。
### 多極展開式的特性

對於多極展開式的每一階 WIKINIUM\_MATH\_PH\_94 ，笛卡兒多極展開會得到 WIKINIUM\_MATH\_PH\_96 個笛卡兒多極矩，而球多極展開會得到 WIKINIUM\_MATH\_PH\_98 個球多極矩。這是因為兩種展開各自具有不同的旋轉變換屬性。笛卡兒多極矩是可約的（reducible）；而球多極矩則是不可約的，這種分解能夠得到旋轉群的不可約表示。

在多極展開式裏，不等於零的最低階多極矩，其數值與原點的選擇無關。例如，對於在 WIKINIUM\_MATH\_PH\_100 內部、位置為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_102 的單獨點電荷，電荷密度可以寫為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_104 。這單獨點電荷的電單極矩為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_106 ，與原點位置無關。

對於在 WIKINIUM\_MATH\_PH\_108 內部、位置分別為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_110 、 WIKINIUM\_MATH\_PH\_112 的兩個異電性、同電量的點電荷，電荷密度可以寫為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_114 。這單獨點電荷的電單極矩為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_116 。最低階多極矩為電偶極矩 WIKINIUM\_MATH\_PH\_118 。這電偶極矩與原點位置無關，與兩個點電荷之間的相對位置有關。

## 電能的多極展開式

假設處於外電勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_120 的電荷密度分佈 WIKINIUM\_MATH\_PH\_122 ，則其電能 WIKINIUM\_MATH\_PH\_124 為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_126 。
注意到外電場 WIKINIUM\_MATH\_PH\_128 ，外電勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_130 在原點 WIKINIUM\_MATH\_PH\_132 的泰勒級數為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_134 。
由於外電場的散度為零 WIKINIUM\_MATH\_PH\_136 ，電勢可以寫為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_138 。
將這方程式代入電能的積分式，可以得到

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_140 。
從這裏可以看到電能的成分：第一個項目是點電荷處於外電勢的電能、第二個項目是電偶極子處於外電場的電能、第三個項目是電四極子處於具有梯度的外電場所涉及的電能。

## 磁向量勢的多極展開式

在靜磁學裏，設定電流密度分佈 WIKINIUM\_MATH\_PH\_142 ，則其產生的磁向量勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_144 為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_146 ；
其中， WIKINIUM\_MATH\_PH\_148 是場位置， WIKINIUM\_MATH\_PH\_150 是源位置。

將前面推導出的 WIKINIUM\_MATH\_PH\_152 在原點 WIKINIUM\_MATH\_PH\_154 的泰勒級數帶入磁向量勢方程式，則可得到

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_156 。
由於在靜磁學裏 WIKINIUM\_MATH\_PH\_158 ，

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_160 ；
應用高斯散度定理，由於電流密度分佈 WIKINIUM\_MATH\_PH\_162 是局部的，假若積分體積 WIKINIUM\_MATH\_PH\_164 足夠大，則位於包含積分體積的曲面 WIKINIUM\_MATH\_PH\_166 的電流密度分佈為零：

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_168 。
所以，磁單極子項目 WIKINIUM\_MATH\_PH\_170 等於零。

磁偶極子項目不等於零。首先，應用高斯散度定理和電流密度分佈的局部性這事實，可以得到

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_172 。
注意到以下關係式：

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_174 。
定義磁偶極矩 WIKINIUM\_MATH\_PH\_176 為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_178 。
只取至最低階項目，即磁偶極矩項目，則磁向量勢 WIKINIUM\_MATH\_PH\_180 為

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_182 。
## 數值模擬

多極展開在數值模擬領域用途很多。對於相互作用的粒子組成的物理系統，快速多極法（fast multipole method）是高效率運算這系統的能量與作用力常使用的一種方法。快速多極法就是建構於格林函數的多極展開。這方法的基本點子是分解所有粒子為幾個小群，每一個小群內的粒子正常地互相作用（即通過全部勢能），而小群與小群之間的互相作用則是由其多極矩計算求得。快速多極矩法的效率通常與伊沃德求和法（Ewald summation）等同，但是假若系統的粒子具有高度群聚性，即高密度漲落，則快速多極矩法比較優等。

## 參閱

* 圓柱多極矩（cylindrical multipole moment）
* 四極磁鐵（quadrupole magnet）：粒子加速器內部的一個配件
* 拉普拉斯展開（位勢論）（Laplace expansion (potential)）
* 勒讓德多項式

## 參考文獻