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李纳-维谢势
2020-04-01 07:23:25

在电动力学里,李纳-维谢势指的是移动中的带电粒子的推迟势。从麦克斯韦方程组,可以推导出李纳-维谢势;而从李纳-维谢势,又可以推导出一个移动中的带电粒子所生成的含时电磁场。但是,李纳-维谢势不能描述微观系统的量子行为。

阿弗雷-玛丽·李纳(英语:Alfred-Marie Liénard)于1898年,艾密·维谢(英语:Emil Wiechert)于1900年,分别独立地研究求得李纳-维谢势的公式。于1995年,Ribarič和Šušteršič正确计算出移动中的偶极子和四极子的推迟势。

经典电动力学的研究,关键地助导阿尔伯特·爱因斯坦发展出相对论。爱因斯坦细心地分析李纳-维谢势和电磁波传播,所累积的心得,引领他想出在狭义相对论里对于时间和空间的概念。经典电动力学表述是一个重要的发射台,使得物理学家能够飞航至更复杂的相对论性粒子运动的学术领域。

虽然经典电动力学表述的李纳-维谢势,可以很准确地描述,独立移动中的带电粒子的物理行为,但是在原子层次,这表述遭到严峻的考验,无法给出正确地答案。为此缘故,物理学家感到异常困惑,因而引发了量子力学的创立

对于粒子发射电磁辐射的能力,量子力学又添加了许多新限制。经典电动力学表述,表达于李纳-维谢势的方程,明显地违背了实验观测到的现象。例如,经典电动力学表述所预测的,环绕着原子不停运动的电子,由于连续不断地呈加速度状态,应该会不停地发射电磁辐射;但是,实际实验观测到的现象是,稳定的原子不会发射任何电磁辐射。经过研究论证,物理学家发现,电磁辐射的发射完全源自于电子轨域的离散能级的跃迁(参阅玻尔原子)。在二十世纪后期,经过多年的改进与突破,量子电动力学成功地解释了带电粒子的放射行为。

假设,从源头位置 r ′ {\displaystyle \mathbf {r} '\,\!} 往检验位置 r {\displaystyle \mathbf {r} \,\!} 发射出一束电磁波,而这束电磁波在检验时间 t {\displaystyle t\,\!} 抵达观测者的检验位置 r {\displaystyle \mathbf {r} \,\!} ,则这束电磁波发射的时间是推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 。由于电磁波传播于真空的速度是有限的,观测者检验到电磁波的检验时间 t {\displaystyle t\,\!} ,会不同于这电磁波发射的推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 。推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 定义为检验时间 t {\displaystyle t\,\!} 减去电磁波传播的时间:

其中, c {\displaystyle c\,\!} 是光速。

推迟时间的概念意味着电磁波的传播不是瞬时的。电磁波从发射位置传播到终点位置,需要一段传播期间,称为时间延迟。与日常生活的速度来比,电磁波传播的速度相当快。因此,对于小尺寸系统,这时间延迟,通常很难察觉。例如,从开启电灯泡到这电灯泡的光波抵达到观测者的双眼,所经过的时间延迟,只有几兆分之一秒。但是,对于大尺寸系统,像太阳照射阳光到地球,时间延迟大约为8分钟,可以经过实验侦测察觉。

假设,一个移动中的带电粒子,所带电荷为 q {\displaystyle q\,\!} ,随着时间 t {\displaystyle t\,\!} 而改变的运动轨道为 w ( t ) {\displaystyle \mathbf {w} (t)\,\!} 。设定矢量 R {\displaystyle {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}\,\!} 为从带电粒子位置 r ′ = w ( t ) {\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t)\,\!} 到检验位置 r {\displaystyle \mathbf {r} \,\!} 的分离矢量:

则李纳-维谢标势 Φ ( r , t ) {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 和李纳-维谢矢势 A ( r , t ) {\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 分别以方程表达为

其中, ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}\,\!} 是真空电容率, v {\displaystyle \mathbf {v} \,\!} 是带电粒子的移动速度, v ( t ) = d w d t {\displaystyle \mathbf {v} (t)={\frac {d\mathbf {w} }{dt}}\,\!} 。

虽然李纳-维谢标势 Φ ( r , t ) {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 和李纳-维谢矢势 A ( r , t ) {\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 的时间参数是 t {\displaystyle t\,\!} ,方程右手边的几个变数,带电粒子位置 r ′ {\displaystyle \mathbf {r} '\,\!} 和速度 v {\displaystyle \mathbf {v} \,\!} 都是采推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 时的数值:

从推迟势,可以推导出李纳-维谢势。推迟标势 Φ ( r , t ) {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 与推迟矢势 A ( r , t ) {\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 分别以方程定义为(参阅推迟势)

其中, ρ ( r ′ , t r ) {\displaystyle \rho (\mathbf {r} ',\,t_{r})\,\!} 和 J ( r ′ , t r ) {\displaystyle \mathbf {J} (\mathbf {r} ',\,t_{r})\,\!} 分别是推迟时刻的电荷密度和电流密度, V ′ {\displaystyle {\mathcal {V}}'\,\!} 是积分的体空间, d 3 r ′ {\displaystyle d^{3}\mathbf {r} '\,\!} 是微小体元素, R {\displaystyle {\mathfrak {R}}\,\!} 矢量还是采推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 时的数值。

带电粒子运动轨道的电荷密度可以用狄拉克δ函数表达为

其中, δ ( r − w ( t ) ) {\displaystyle \delta (\mathbf {r} -\mathbf {w} (t))\,\!} 是狄拉克δ函数。

代入推迟标势 Φ ( r , t ) {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 的方程,

由于狄拉克δ函数 δ ( r ′ − w ( t r ) ) {\displaystyle \delta (\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r}))\,\!} 的积分会从 r ′ {\displaystyle \mathbf {r} '\,\!} 的可能值中,挑选出当 r ′ = w ( t r ) {\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!} 时,所有变数的数值。所以,在积分内的变数,都可以被提出积分,采推迟时间 r ′ = w ( t r ) {\displaystyle \mathbf {r} '=\mathbf {w} (t_{r})\,\!} 时所计算出的数值。积分内,只剩下狄拉克δ函数等待进一步处理:

由于推迟时间 t r {\displaystyle t_{r}\,\!} 跟三个变数 t {\displaystyle t\,\!} 、 r {\displaystyle \mathbf {r} \,\!} 、 r ′ {\displaystyle \mathbf {r} '\,\!} 有关,这积分比较难计算,需要使用换元积分法。设定变数 η = r ′ − w ( t r ) {\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}=\mathbf {r} '-\mathbf {w} (t_{r})\,\!} 。那么,其雅可比行列式 J {\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!} 为

行列式内分量很容易计算,例如:

按照上述方法,经过一番计算,可以得到

所以,推迟标势 Φ ( r , t ) {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} ,\,t)\,\!} 的方程变为

这样,可以得到李纳-维谢标势:

类似地,也可以推导出李纳-维谢矢势。

从推迟势的表达式可以看出它只依赖于推迟时刻源点的速度,而不依赖于源点的加速度,所以通过电磁势的洛仑兹变换也可以推导出李纳-维谢势。考虑一个在推迟时刻瞬时速度与电荷运动速度相同的惯性系,记作 S ′ {\displaystyle S^{\prime }} 。在 S ′ {\displaystyle S^{\prime }} 系中,电荷在推迟时刻的速度为零(虽然加速度未必为零),其标势应由库仑定律给出,矢势为零。:165ff

标势和矢势从 S ′ {\displaystyle S^{\prime }} 系到 S {\displaystyle S} 系的变换满足洛仑兹变换:

其中, γ {\displaystyle \gamma } 是洛仑兹因子, β = v / c {\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}=\mathbf {v} /c} 。

代入后可以得到:

R ′ {\displaystyle {\mathfrak {R}}'} 和 R {\displaystyle {\mathfrak {R}}} 的变换关系也由洛仑兹变换给出:

将 R ′ {\displaystyle {\mathfrak {R}}'} 的表达式代入即得到李纳-维谢势。

对于固定不动的带电粒子,电势的方程为

这是李纳-维谢标势乘以雅可比行列式因子 J {\displaystyle {\mathfrak {J}}\,\!} 。追根究柢,原因是移动中的带电粒子,虽然理论上是点粒子,但是由于它是在移动中,在积分里所占有的体积显得比较大,所带的电荷因此比较多,所以产生的电势不同。这也可以看作是一种多普勒效应。

从李纳-维谢势,可以计算电场 E {\displaystyle \mathbf {E} \,\!} 和磁场 B {\displaystyle \mathbf {B} \,\!} :

求得的电场 E {\displaystyle \mathbf {E} \,\!} 和磁场 B {\displaystyle \mathbf {B} \,\!} 分别为

其中,矢量 u {\displaystyle \mathbf {u} \,\!} 设定为 c R ^ − v {\displaystyle c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}-\mathbf {v} \,\!} ,带电粒子的加速度是 a = d v d t {\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}\,\!} 。

检查电场 E {\displaystyle \mathbf {E} \,\!} 的方程,右边第一项称为广义库仑场,又称为速度场,因为这项目与加速度无关。当 v ≪ c {\displaystyle v\ll c\,\!} ,粒子速度超小于光速时, u → c R ^ {\displaystyle \mathbf {u} \to c{\hat {\boldsymbol {\mathfrak {R}}}}\,\!} ,这项目会趋向库仑方程:

右边第二项称为辐射场,又称为加速度场,因为这项目的物理行为主要是由粒子的加速度决定。这个项目能够描述电磁辐射的生成程序。

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