電磁場のローレンツ変換

スポンサーリンク


真空中のマクスウェル方程式は
divD=0divB=0rotH=DtrotE=Bt
であるが、
D=ε0EB=μ0Hc2=1ε0μ0
より、EBだけを使って成分で書くと
Exx+Eyy+Ezz=0Bxx+Byy+Bzz=0BzyByz=1c2ExtBxzBzx=1c2EytByxBxy=1c2EztEzyEyz=BxtExzEzx=BytEyxExy=Bzt
となる。これにローレンツ変換
t=tvx/c21(v/c)2x=xvt1(v/c)2y=yz=z
を適用することを考える。まず、K系の電磁場をK系の座標で表す。例えば、
f(t,x,y,z)f(t,x,y,z)
の時、全微分を使って
ft=fttt+fxxt+fyyt+fzzt=ft11(v/c)2+fxv1(v/c)2+0+0=11(v/c)2(tvx)ffx=fttx+fxxx+fyyx+fzzx=ftv/c21(v/c)2+fx11(v/c)2+0+0=11(v/c)2(xvc2t)ffy=ftty+fxxy+fyyy+fzzy=0+0+fyyy+0=fy
となるから、マクスウェル方程式は
11(v/c)2(xvc2t)Ex+Eyy+Ezz=011(v/c)2(xvc2t)Bx+Byy+Bzz=0BzyByz=1c211(v/c)2(tvx)ExBxz11(v/c)2(xvc2t)Bz=1c211(v/c)2(tvx)Ey11(v/c)2(xvc2t)ByBxy=1c211(v/c)2(tvx)EzEzyEyz=11(v/c)2(tvx)BxExz11(v/c)2(xvc2t)Ez=11(v/c)2(tvx)By11(v/c)2(xvc2t)EyExy=11(v/c)2(tvx)Bz
となる。最初の2式は
vEyy+vEzz=11(v/c)2(1v2c2)Ext+11(v/c)2(tvx)Ex=1(v/c)2Ext+11(v/c)2(tvx)ExvByy+vBzz=11(v/c)2(1v2c2)Bxt+11(v/c)2(tvx)Bx=1(v/c)2Bxt+11(v/c)2(tvx)Bx
となるので、これを3番目の式と6番目の式の右辺に代入して、残り6式をまとめると
11(v/c)2y(Bzvc2Ey)11(v/c)2z(By+vc2Ez)=1c2ExtBxz11(v/c)2x(Bzvc2Ey)=1c211(v/c)2t(EyvBz)11(v/c)2x(By+vc2Ez)Hxy=1c211(v/c)2t(Ez+vBy)11(v/c)2y(Ez+vBy)11(v/c)2z(EyvBz)=BxtExz11(v/c)2x(Ez+vBy)=11(v/c)2t(By+vc2Ez)11(v/c)2x(EyvBz)Exy=11(v/c)2t(Bzvc2Ey)
となる。さて、相対性理論では、マクスウェル方程式はどの系でも同様に成り立つ筈であるから、K系の電磁場も
divD=0divB=0rotH=DtrotE=Bt
を満たす筈である。したがって、先程求めた6式と
BzyByz=1c2ExtBxzBzx=1c2EytByxBxy=1c2EztEzyEyz=BxtExzEzx=BytEyxExy=Bzt
を比較すれば、電磁場のローレンツ変換は、
Ex=ExEy=11(v/c)2(EyvBz)Ez=11(v/c)2(Ez+vBy)Bx=BxBy=11(v/c)2(By+vc2Ez)Bz=11(v/c)2(Bzvc2Ey)
となる。

スポンサーリンク

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 が付いている欄は必須項目です