Реальный мир не заботится о нашем выборе координат для описания природы. Уравнения Максвелла в векторной форме записываются относительно инерциальной системы отсчета как:
И потенциалы:
Эти уравнения справедливы в любой инерциальной системе координат. Как насчет неинерционной рамы? Чтобы ответить на этот вопрос и применить уравнения Максвелла к ЛЮБОЙ системе отсчета, я думаю, полезно использовать тензорное исчисление. Так:
В специальной теории относительности мы пишем:
Но вот мои вопросы:
Эти уравнения написаны относительно метрики Минковского, то есть с декартовыми координатами для пространственных координат. Они ковариантны по отношению к преобразованиям Лоренца, но они недействительны в ЛЮБОЙ инерциальной системе координат. Если я выбираю цилиндрические или сферические координаты, я не могу их использовать. Как эти уравнения преобразуются в любой другой системе координат (инерциальной или нет)?
До ОТО, то есть в плоском пространстве-времени, почему бы нам не записать уравнения Максвелла в бескоординатной записи? Например, почему бы нам не использовать ковариантную производную и общую метрику для приведения уравнений в их наиболее общий вид, как мы это делаем в общей теории относительности?
Потому что в ОТО нам нужна их общая форма для учета кривизны пространства-времени, а здесь она также понадобится для учета любой инерциальной или неинерциальной системы координат в плоском пространстве-времени, а не только в декартовых координатах.
Кажется, вы уже знаете ответ на свой первый вопрос: чтобы использовать уравнения в общей системе координат, вы должны заменить производные ковариантными производными, получив
(Другое уравнение на самом деле одинаково, независимо от того, используете ли вы ковариантные или обычные производные.) Как я уже говорил ранее , все известные вам формулы для градиента, дивергенции и всего такого в полярных координатах — это просто ковариантная производная.
Что касается второго вопроса, в плоском пространстве-времени мы можем использовать координаты, в которых символы Кристоффеля равны нулю, поэтому мы обычно делаем это и игнорируем ковариантную производную, чтобы упростить жизнь. Но в искривленном пространстве-времени вы не можете этого сделать, поэтому ковариантная производная становится необходимостью.
Qмеханик