История тензора электромагнитного поля

Мне любопытно узнать, как люди обнаружили, что электрические и магнитные поля могут быть прекрасно объединены в один простой тензор.

Ясно, что тензор обеспечивает много красивых упрощений исходной теории, применяя абстрактную теорию тензоров к этой конкретной проблеме. Например, странные формулы преобразования электрического и магнитного полей в разных системах отсчета можно объяснить как законы преобразования 2-тензора. Эти два тензора могут объяснить взаимозависимость двух полей в этом преобразовании и тот факт, что электрическое и магнитное поля в классической теории в некотором смысле являются одним и тем же. Различные специальные формулы, из которых состоят уравнения Максвелла, некоторые из них с завихрениями, некоторые с дивергенцией, можно объяснить одной красивой формулой, объявив внешнюю производную тензора равной 0. Перекрестное произведение также можно объяснить как операция на антисимметричных тензорах.

Так что, как только кто-нибудь покажет вам тензорную формулировку, она прекрасно сплетает воедино все части «элементарной» (т.е. нетензорной) теории. Мой вопрос в том, как люди впервые обнаружили эту формулировку? Какова была мотивация и какова история?

Некоторые мысли: это правда, что элементарная теория дает некоторые подсказки к формулировке тензора (например, некоторые из вещей, которые я перечислил выше), но этих небольших подсказок недостаточно, чтобы объяснить все тонкости тензорной формулы, особенно если кто-то не видел тензоров раньше. Была ли теория тензоров уже распространена в то время, когда был открыт тензор поля, и, следовательно, эксперты по тензорам просто заметили, что электромагнетизм пахнет 2-тензором? Если это так, то как люди изначально поняли, что тензоры важны в физике? Иначе что же произошло? Почему люди были мотивированы на это? И разве первоначальная формулировка не была достаточно хороша, хотя и не столь элегантна с математической точки зрения?

Другой связанный с этим вопрос: знали ли люди законы преобразования электрических и магнитных полей до появления Эйнштейна? Сегодня вы обычно можете найти их только в книгах по специальной теории относительности или в самой последней главе книги по электромагнетизму, обычно в главе по специальной теории относительности. Поэтому, если бы вы читали книгу по электромагнетизму, то до того, как вы добрались до главы по теории относительности, вы бы подумали, что векторы сил и, следовательно, электрические поля инвариантны относительно смены системы отсчета, как и силы в ньютоновской механике.

Ответы (4)

Самый ранний экземпляр, который я нашел, - это «Die Grundgleichungen für die elektromagnetischen Vorgänge in bewegten Körpern» Минковского в «Nachrichten von der Georg-Augusts-Universität und der Königl. Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen» от 1908 года.

Оцифрованная версия находится по адресу

http://echo.mpiwg-berlin.mpg.de/ECHOdocuViewfull?start=1&viewMode=images&ws=1.5&mode=imagepath&url=/mpiwg/online/permanent/library/WBPZCG9Q/pageimg&pn=1

перейдите на страницу 17/18, чтобы прочитать:

"Ich lasse nun an diesen Gleichungen wieder durch eine veränderte Schreibweise eine noch versteckte Symmetrie hervortreten"

грубо

«Теперь я через другое обозначение раскрою еще скрытую симметрию»

и он продолжает описывать тензор поля.

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

Есть английский перевод этого?
здесь есть перевод Мегхнад Саха на английский язык: archive.org/details/principleofrelat00eins , вы можете скачать PDF-файл и найти соответствующий раздел на странице 21. он также опубликован в wikisource: en.wikisource.org/wiki/… перевод гласит: «Используя измененную форму письма, я теперь вызову появление скрытой симметрии в этих уравнениях».

Что касается того, разобрались ли люди с преобразованием Лоренца полей E&M до Эйнштейна, ответ (конечно) — «вроде как». По словам моего профессора физики (Колумбийский университет), люди поняли, что поля трансформируются по преобразованию Лоренца (хотя, конечно, это еще не называлось так), незадолго до того, как Максвелл придумал свои законы. Мой профессор грубо сказал, что люди имели представление об этой странной зависимости (Лоренцевой) от относительной скорости систем отсчета, но не знали, каково ее значение, или ее отношение к, например, еще не открытой преобразование положения/времени или другие преобразования Лоренца.

Я несколько сомневаюсь в приведенном выше описании, если только под «людьми» вы не имели в виду самого Лоренца. Интересный факт: в статье 1895 года Лоренца , с которой началось все это дело, он лишь показал, что максвелловская теория электромагнетизма подчиняется законам преобразования, которые теперь носят его имя, вплоть до первого порядка. То есть выбросил все в 4 / с 4 термины как необработанные поправки более высокого порядка. Это было в 1899 году, когда он понял, что трансформация точна.

Цель тензора электромагнетизма состояла в том, чтобы продемонстрировать лоренцеву ковариантность уравнений Максвелла. Это центральное место в открытии специальной теории относительности, и в то время все были в восторге от теории относительности. Эйнштейн не имел к этому никакого отношения.

Я не буду пытаться ответить на весь вопрос, только на одну маленькую часть: тензоры были известны еще до теории Максвелла, их использовали для изучения упругости. На самом деле название «тензор» происходит от «натяжения», очевидно важной величины в упругости и механике (сплошных сред) вообще.

Тензоры также уже использовались в 19 веке для изучения алгебраических форм и квадратичных дифференциальных форм, хотя тензорное исчисление приняло свою современную форму в работах Леви-Чивиты и Риччи.