Зависимость мультипольных моментов от начала координат

Мультипольные моменты системы определяются с явной ссылкой на систему координат, например

г "=" г В р р мю "=" 1 2 с г В [ р × Дж ] Вопрос я Дж "=" г В р ( 3 р я р Дж дельта я Дж р 2 )
Только ведущий мультипольный момент не зависит от этого выбора. Предположим, что это дипольный момент. г . Теперь рассмотрим гармоническую систему с частотой ю . Система будет излучать энергию, а интенсивность излучения я можно записать в терминах мультипольных моментов (извините, если коэффициенты неверны)
я "=" 2 3 ю 4 г 2 с 3 + 2 3 ю 4 мю 2 с 3 + ю 6 Вопрос я Дж 2 180 с 5 +
Сейчас г , мю и Вопрос я Дж – амплитуды соответствующих колебательных моментов. Согласно учебникам, если присутствует дипольный момент, то дипольный член дает наибольший вклад в интенсивность излучения, а другие члены можно рассматривать как поправки. Предположим, мы хотим повысить точность, включив магнитный и квадрупольный вклады. Моя проблема в том, что эти поправки не кажутся четко определенными, потому что сами моменты зависят от нашего выбора начала координат. Возьмем для примера магнитный момент и сдвинем систему координат на вектор а . Соответствующее изменение магнитного момента определяется выражением
Δ мю "=" 1 2 с г В [ а × Дж ]
разумно взять а быть порядка размера всей системы л . Действительно, для общей системы без особой симметрии неопределенность того, где находится «центр», порядка размера системы. Но тогда Δ мю и мю вроде того же порядка Δ мю "=" мю л Дж / с . Таким образом, вопрос заключается в том, действительно ли можно повысить точность мультипольного разложения, включив только некоторые из членов более высокого порядка (конечно, полная сумма должна быть инвариантной)?


Редактировать: давайте рассмотрим конкретный пример, всегда хорошая идея. Возьмем точечный электрический диполь, колеблющийся с частотой ю и амплитуда г , т.е. г ( т ) "=" е я ю т г . Полное излучение дается известным выражением

я 0 "=" 2 ю 4 г ( т ) 2 3 с 3
Конечно, то же самое должно быть верно и для электрического диполя, расположенного не в начале координат, а в каком-то положении. а . Соответствующие плотности тока и заряда равны
р "=" ( г ( т ) ) дельта ( р а ) , Дж "=" я ю г ( т ) дельта ( р а )

дипольный момент конечно г ( т ) . Тем не менее, магнитный момент не равен нулю

мю "=" 1 2 с г В [ р × я ю г ( т ) дельта ( р а ) ] "=" я к 2 [ а × г ( т ) ]
и для общего а по общей формуле будет давать неисчезающий вклад в интенсивность излучения. Однако общая интенсивность должна даваться простым дипольным излучением. я 0 . Эта проблема еще сильнее, чем та, которую я изначально поставил: не только произвол присутствует в подчиненных терминах, но даже включение терминов более высокого порядка не спасет от несоответствия.

Если вы переместите свой объект (переместите начало координат), интенсивность, измеренная в другом месте, изменится, потому что излучающий объект находится дальше (или ближе). Если перемещать излучатель вместе с измерительным прибором, то мультипольные моменты остаются прежними. Насколько я могу судить, здесь нет противоречия. Интенсивность четко определена и не зависит от происхождения, если вы согласны переводить источник и получатель одновременно.
@AccidentalFourierTransform Я не согласен. Эта интенсивность представляет собой общий поток энергии (в секунду) до бесконечности, поэтому на самом деле она не зависит от источника.
Ах да, я говорил глупости. Простите за это.
Можете ли вы привести источники для утверждения, что в радиационном режиме будет преобладать момент ведущего порядка? Это стандартный факт в статическом случае, когда -полярные поля затухают по мере 1 / р + 1 , но мультипольное излучение обычно затухает как е я ( к р ю т ) / р , т.е. с затуханием амплитуды, не зависящим от .
@EmilioPisanty ваш комментарий правильный. Я был неточен в вопросе ОП, полагая, что это общеизвестно. Насколько я понимаю, утверждение верно только в пределе большой длины волны (формально этот предел должен быть взят, сохраняя сами моменты постоянными). Тем не менее, во многих случаях это достаточно хорошее приближение.
@WeatherReport Я не уверен, что предел длинных волн имеет смысл, учитывая то, что вы хотите сделать, потому что длина волны устанавливает нижнюю границу для масштабов длины, которые вы можете разрешить с помощью излучения в большинстве случаев. Для а меньше, чем длина волны, я не уверен, что изменение можно обнаружить, но я хотел бы провести более точный анализ, прежде чем делать выводы.
Кроме того, технический комментарий: сдвиг магнитного диполя, который вы приводите, Δ мю "=" 1 2 с а × г В Дж , обращается в нуль для колебательных токов. Однако тот же аргумент справедлив для квадрупольного момента, если не исчезает дипольный вклад.
@EmilioPisanty Ну, в некотором смысле это моя точка зрения. Если моменты высших порядков вообще поддаются обнаружению, то небольшое (по сравнению с длиной волны) смещение начала координат наивно кажется обнаруживаемым.
@EmilioPisanty Нет, Δ мю а × г и не исчезает, пока а | | г .
@WeatherReport Хммм, мне нужно подумать об этом более тщательно. Моя первоначальная реакция была такой: если Дж - это комплексная амплитуда монохроматически колеблющегося тока (которой она должна быть в написанном вами формализме), тогда Дж г В "=" 0 , но это неверно для тока в электродипольной антенне. Я предполагаю, что по этой мере антенна E1 со смещением от центра вносит вклад M1? Ну что ж.

Ответы (1)

Рассмотрим сначала разложение электростатического потенциала Φ в стационарном положении

Φ ( р ) "=" Вопрос 4 π ϵ 0 р + г р 4 π ϵ 0 р 3 + О ( р 3 )
Теперь давайте сдвинем наше начало на а , р "=" р а , где | а | р . Затем монопольный термин расширяется как
Вопрос 4 π ϵ 0 р "=" Вопрос 4 π ϵ 0 | р + а | "=" Вопрос 4 π ϵ 0 р Вопрос ( а р ) 4 π ϵ 0 р 3 + О ( р 3 )
Дипольный член просто
г р 4 π ϵ 0 р 3 "=" г р 4 π ϵ 0 р 3 + О ( р 3 )
Теперь давайте посмотрим на весь потенциал
Φ ( р ) "=" Φ ( р ) "=" Вопрос 4 π ϵ 0 р + ( г Вопрос а ) р 4 π ϵ 0 р 3 + О ( р 3 )
Обратите внимание, что это (в рамках приближения) просто другое описание того же потенциала, что и выше. Другими словами, если вы посмотрите на одну и ту же физическую точку, вы получите одно и то же значение Φ независимо от того, находитесь ли вы в р координаты или р координаты.

Теперь обозначим диполь, определенный относительно р как Д и вычислить

Д "=" р р г В "=" р р г В р а г В "=" г Вопрос а
Затем мы видим, что наш смещенный потенциал в р координаты можно записать как
Φ ( р ) "=" Вопрос 4 π ϵ 0 р + Д р 4 π ϵ 0 р 3 + О ( р 3 )
что в точности соответствует мультипольному расширению, которое вы получили бы, если бы начали с р координаты в первую очередь.

Т.е. мультипольные разложения ковариантны относительно сдвигов координат. Можно показать, что это применимо ко всем порядкам, где все больше и больше членов стекает от низших порядков к более высоким, и вы даже можете показать ковариантность мультипольного разложения по отношению ко всей группе Пуанкаре (с небольшими сдвигами).


Вы сейчас, наверное, спрашиваете, что тогда происходит с вашей формулой радиации. Хитрость в том, что приведенные вами формулы будут применяться только в инерциальных системах отсчета. В частности, а обычно будет постоянная смена. Однако ваша формула излучения применима к величинам колебаний , для которых постоянная а будут иметь подчиненные или полностью исчезающие вклады.

Рассмотрим дипольный момент. У нас есть Д "=" г Вопрос а . Тогда вы видите, что с тех пор Вопрос ˙ "=" а ˙ "=" 0 , у нас есть Д ˙ "=" г ˙ и в формуле излучения нет дополнительного члена, возникающего из-за сдвига.

Что касается дипольного магнитного момента, то имеем

мю "=" мю + 1 с а × Дж г В
Это несколько более сложный аргумент, почему лишний термин будет подчиненным.

Сначала перепишем в виде двойного интеграла, используя теорему о расходимости

Дж я ( р ) г В ( р ) "=" ( Икс я "=" с о н с т . Дж г С ) г Икс я "=" ( Икс я "=" с о н с т . Дж ( р ) г В ( р ) ) г Икс я
То есть воспользуемся тем, что интеграл от Дж я над поверхностью постоянной Икс я можно также записать как дивергенцию в объеме, ограниченном Икс я "=" с о н с т . (предполагая, конечно, что токи исчезают вне тела, поэтому вклады от других границ просто равны нулю). Теперь воспользуемся уравнением неразрывности Дж "=" р / т наконец выразить
мю "=" 1 с р × Дж г В "=" 1 с р × Дж г В 1 с а × ( Икс р т г В ) г Икс
(Если вы не уверены в том, что означает векторное произведение, просто запишите выражения, используя символ Леви-Чивиты и компоненты.) Теперь предположим, что у нас есть р "=" р 0 + р о с с е я ю т и Дж "=" Дж 0 + Дж о с с е я ю т , где р 0 , р о с с , Дж 0 , Дж о с с являются функциями только положения. Тогда мы видим, что
мю о с с "=" мю о с с ю с а × Δ
где мю о с с "=" Дж о с с × р г В , и Δ "=" ( Икс р о с с г В ) г Икс . С г о с с "=" р о с с р г В , Мы будем иметь Δ г и мы наконец можем написать
мю о с с "=" мю о с с + О ( ю с а г о с с )
Т.е. сдвиг индуцирует только субведущую коррекцию.


Суть аргумента в том, что если у вас есть тело, из которого не выходят токи, то ненулевое Дж г В соответствует изменению плотности заряда где-то внутри тела ( р / т 0 ). Однако при стационарных колебаниях это соответствует более высокому члену. ю мощность по сравнению с мю колебание.

Причина в следующем: ток имеет размеры [ С час а р г е г я с т а н с е / т я м е ] , масштаб заряда определяется общим зарядом в теле, расстояние - размерами тела, а время - 1) временем прохождения заряженной частицы в теле и 2) временем колебания зарядов. Термин р × Дж г В улавливает этот «пересекающийся ток», величина которого не зависит от ю , но термин а × Дж г В фиксирует только ю - пропорциональный колебательный ток.

Я согласен с тем, что конечным результатом анализа должна быть формула вида мю о с с я л л "=" мю о с с я л л ( 1 + О ( ю ) ) . Однако мне непонятно, как вы его получили. Разве ваши размерные аргументы не могут быть превращены в более строгий вывод? Если я прав, ваш аргумент сводится к тому, что выражения р × Дж г В и а × Дж г В масштабировать по-разному с ю , но как это посеять на самом деле?
@WeatherReport Я добавил аргумент. Кстати, я думаю Дж г В или Δ даже напрямую связаны с колебательным дипольным моментом (равны?), но я не могу найти связь прямо сейчас.
Я думаю, что вы только что показали, что Δ мю уступает по сравнению с г . Но это общее и справедливо и для оригинала. мю . Так что они все еще могут быть одного порядка. Пожалуйста, посмотрите пример, который я добавил в OP, который, я надеюсь, ясно иллюстрирует мои трудности.
Это, конечно, полностью соответствует; если у вас есть описание источника, действительное для дипольного порядка, ваши результаты будут действительными (инвариантными) для дипольного порядка. Другими словами, если вы думаете, что можете описать излучение объекта с высокой мультипольной точностью, используя только информацию об электрическом диполе, то нет, вы не можете .
То, о чем я говорю в ответе, является магнитным дипольным колебанием, которое в принципе имеет вклад того же порядка , что и дипольное колебание. Представьте себе маленькую петлю с постоянным током. Эта петля будет иметь нулевой электрический диполь. Теперь заставьте этот постоянный ток колебаться по всей петле. По-прежнему не задействован электрический диполь, но появится магнитное дипольное излучение.
Извините, я не слежу. Вы действительно хотите показать, что Δ мю "=" 1 2 с г В [ а × Дж ] для любой константы а всегда является субведущим для колебательных токов по сравнению с мю "=" 1 2 с г В [ р × Дж ] , верно?
К сожалению, срок действия награды почти истек, хотя я не считаю проблему решенной.