李纳-维谢势

✍ dations ◷ 2025-04-04 11:21:49 #李纳-维谢势
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 {dmathbf {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 {dmathbf {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 vll 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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