Релятивистская электродинамика начала зарождаться во времена исследовательских изысканий Максвелла и Эйнштейна. Она базируется на специальной теории относительности, которую сформулировал в своих трудах Максвелл. Она лежит в основе всего раздела релятивистской электродинамики в физике.
Рисунок 1. Элементы релятивистской динамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Специальная теория относительности
Эти знания базируются на определенных парадоксах, которые зафиксированы в уравнениях Максвелла. Их сущность заключается в том, что электромагнитное поле по своей природе - это абсолютно релятивистский объект изучения, так как оно распространяется с конечной предельной скоростью – скоростью света. Уравнения поля сохраняют одинаковую форму написания по отношению к преобразованиям Лоренца. Это отмечается во всех инерциальных системах отсчета. Однако такое обстоятельство не может считаться безапелляционным, поскольку принятые во внимание уравнения Максвелла обычно используются в трехмерной форме, а ковариантная запись стремится придать им четырехмерную форму.
Сама релятивистская электродинамика базируется на понятиях:
- единого электромагнитного поля;
- конечности скорости электромагнитных взаимодействий.
Специальная теория относительности представляет собой учение о движении материальных физических объектов на скоростях, сопоставимых со скоростью распространения света.
Релятивистская кинематика в классическом понимании оперирует несколькими основными понятиями:
- массы:
- координат;
- скорости;
- размеров.
Это все макроскопические понятия, распространяемые на ньютоновскую механику или ее продолжение в виде кинематики Эйнштейна. Электродинамика вводит такие понятия как электрическое и магнитное поле, поэтом использование уравнений Максвелла в привычной трехмерной форме предполагает использование терминов, отражающих магнитное и электрическое поле. Это отдельные сущности, поэтому четырехмерная форма записи уравнений электродинамики предполагает введение общего или единого понятия электродинамики, которое полностью соответствует предмету изучения физических явлений.
Эйнштейн положил в основу пересмотра ранних теорий требования выполнимости закона сохранения импульса, а также закона сохранение энергии в замкнутых системах. Для того, чтобы закон сохранения импульса четко выполнялся нужно было изменить определение импульса тела. Вместо классического импульса в специальной теории относительности вводится понятие релятивистского импульса тела с массой m, который движется с определенной скоростью.
Однако релятивистская электродинамика использует специальную теорию относительности в виде четырехмерной модели представления пространства-времени, что серьезно противоречит трехмерному представлению мира Ньютона, изучающего движение предметов на небольших скоростях, далеких от скорости света.
Электродинамика Максвелла
Релятивистская теория строится на принципе относительности. Для полноценного понимание всех происходящих процессов необходимо было преобразовать старые уравнения Максвелла и Лоренца в уравнения электродинамики. После преобразований уравнений Максвелла Эйнштейн приравнял линейные комбинации напряженностей полей с напряженностями полей в новых координатах четырехмерного формализма.
В этом случае законы преобразования стали обладать необходимыми свойствами, однако непосредственное построение обратных преобразований было довольно сложным. Исходя из электронной теории Лоренца, где он придавал уравнения в пустоте единый смысл, как и в материальной среде. Это означало, что диэлектрическая постоянная и магнитная восприимчивость были равными единице. Поляризация изучаемой среды становится результатом смещения реальных зарядов, а также частичной ориентации элементарных магнитиков. Поэтому классический пример уравнения релятивистской электродинамики могут выглядеть следующим образом.
Рисунок 2. Пример уравнения релятивистской электродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Пространственные компоненты формируют трехмерный тензор. Также его принято называть тензором натяжения Максвелла.
Существуют следствия из специальной теории относительности. При движении тела с околосветовыми скоростями длина тела зависит от скорости. Чем больше скорость объекта, тем меньше длина тела по направлению движения. Эти утверждения можно записать следующим образом.
Рисунок 3. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В релятивистской кинематике преобразуются только диагональные компоненты, а в релятивистской электродинамике преобразуются 12 компонент, кроме диагональных. Некоторые параметры в релятивистской электродинамике представляют в виде определенных векторов, а также симметрично направленных тензоров. Такие линейные преобразование не всегда могут совпадать, однако симметричные тензоры практически всегда похожи на линейные преобразования векторов.
Проблемы специальной теории относительности
В релятивистской кинематике макроскопических тел часто знания предоставляются в виде теории, которая не имеет доказательств на практике. Поэтому постулаты об ограничении скорости всех взаимодействий, в том числе гравитационных, требует экспериментального подтверждения. Такие знания пока невозможно достигнуть опытным путем. Похожая ситуация сложилась вокруг вопроса о применимости преобразований Лоренца при движении объектов на скоростях, примерно равных скорости света.
После зарождения специальной теории относительности не утихают многочисленные споры, которые связаны с использованием научных способов подтверждения экспериментальным образом всех собранных теорий. Опытная проверка всех постулатов специальной теории относительности может начаться только в далеком будущем. Однако споры не могут вызывать при изучении теоретических основ релятивистской электродинамики. Методическая основа для прохождения спецкурса физики создана достаточная, поэтому она находится в центре внимания мировых ученых-теоретиков.
