Можно ли записать законы Гаусса и Ампера в терминах дивергенции четырехвектора энергии?

За первые 20 минут этого видео Сасскинд выводит уравнение непрерывности для сохранения заряда:

р ˙ + Дж "=" 0

(Где Дж "=" д ˙ м А м ; м "=" 1 , 2 , 3 — это плотность тока, или, как это называет Сасскинд, просто ток.)

м "=" 1 , 2 , 3 индексирует компоненты пространства x,y,z)

А затем показывает, что это уравнение неразрывности можно записать более компактно как дивергенцию текущего четырехвектора:

р ˙ + Дж "=" мю Дж мю "=" 0 ; мю "=" 0 , 1 , 2 , 3

(Где мю "=" 0 индексирует компонент времени. В остальной части этого поста фигурная буква обозначает вектор из четырех, тогда как нефигурная буква со стрелкой над ней указывает на обычный вектор с тремя пространственными компонентами.)

То есть он демонстрирует, что р ˙ можно рассматривать как временную составляющую дивергенции тока.

Мой главный вопрос: если р является временной составляющей (т.е. дифференцируется по времени), то разве Закон Гаусса не имеет более компактного выражения в виде дивергенции четырехвектора Энергии? Вот рассуждение:

Когда уравнение неразрывности выводится из расходимости закона Ампера, мы видим, что Е ˙ "=" р ˙ . Ну если р является компонентой времени, то это должно означать, что Е ˙ "=" р . Отсюда следует, что Закон Гаусса можно записать в виде дивергенции четырехвектора Энергии:

Е "=" р ; Е "=" ( Е 1 , Е 2 , Е 3 ) мю Е мю "=" 0 ; мю "=" 0 , 1 , 2 , 3

И как следствие следует ли, что дивергенция текущего 4-вектора равна Лапласиану 4-вектора Энергии?

мю 2 Е мю "=" мю Дж мю

Рассуждение: если р является временной составляющей, то расходимость закона Гаусса дает:

2 Е "=" р ˙

...что, поскольку Е ˙ "=" Е 0 "=" р , также можно написать

мю 2 Е мю "=" 0

Но из компактного выражения Сасскинда уравнения неразрывности мы знаем, что мю Дж мю "=" 0 . Поэтому их можно приравнять: мю 2 Е мю "=" мю Дж мю .

И, наконец, если это следствие верно, то не следует ли из него также, что закон Ампера имеет более компактное выражение:

мю Е мю "=" × Б

Рассуждение: интегрируя обе части следствия, вы получаете:

мю Е мю "=" Дж мю

Но правая часть этого также может быть записана:

Дж мю "=" р + Дж

...что, поскольку р "=" Е ˙ , это также:

Дж мю "=" Е ˙ + Дж

Но RHS этого всего лишь Закон Ампера ( × Б "=" Е ˙ + Дж ). Поэтому закон Ампера имеет следующее компактное выражение через дивергенцию четырехвектора энергии:

мю Е мю "=" × Б

Из чего автоматически вытекает желательное свойство (я думаю), что магнитное поле является безвихревым ( × Б "=" 0 ) -- так как компактное выражение для закона Гаусса есть мю Е мю "=" 0 .

Разве вы не знакомы со специальной релятивистской формой электромагнитных полей, бивектором Фарадея? Ф ? О том, как можно записать уравнения Максвелла в вакууме Ф "=" мю 0 Дж и Ф "=" 0 ?

Ответы (1)

Ковариантная формулировка EM именно такова. Формулировка калибровочной теории также делает это. ( с "=" 1 В следующих)

Учитывая Е - и Б -поля как пространственные три-векторы в некоторой системе отсчета, мы строим антисимметричный тензор напряженности поля как (римские индексы - пространственные индексы, подразумевается суммирование по повторяющимся индексам)

Ф 0 я "=" Е я и Ф я Дж "=" ϵ я Дж к Б к

Используя поведение полей при преобразованиях Лоренца, действительно можно увидеть, что это Ф мю ν является собственным тензором в пространстве Минковского. Точно так же мы строим четырехпоток из классического тока Дж и плотность заряда р к

Дж я "=" Дж я и Дж 0 "=" р

Законы Максвелла теперь просто читаются

мю Ф мю ν "=" мю 0 Дж ν и мю ϵ мю ν р о Ф р о "=" 0


Это еще не самый абстрактный способ представить это. Используя язык дифференциальных форм, имеем формы Ф "=" Ф мю ν г Икс мю г Икс ν и Дж "=" Дж мю г Икс мю . Законы Максвелла теперь выглядят в наиболее сжатой форме так:

г Ф "=" 0 и г Ф "=" Дж

где звезда двойственна по Ходже . Одним из преимуществ этого языка является то, что можно заключить, что существует 1-форма А с Ф "=" г А на любом стягиваемом подмножестве нашего пространства. Точнее, оно существует, если вторые когомологии де Рама равны нулю.

Калибровочное описание электродинамики начинается со склеивания этих А которые всегда существуют локально, чтобы получить глобально определенный калибровочный потенциал А .