31 速度乘以质量随时间变化率就是电磁场力

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相对论和牛顿力学给出的动量公式 \(\vec{p} = m\ \vec{v}\) 和统一场论给出的动量公式 \(\vec{p} = m\ (\vec{c} - \vec{v})\) 是不一样的。

统一场论的动力学方程:

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} \vec{F} &= \dfrac{d\vec{p}}{dt} = \dfrac{d[m\ (\vec{c} - \vec{v})]}{dt} \\ &= \vec{c}\ \dfrac{dm}{dt} - \vec{v}\ \dfrac{dm}{dt} + m\ \dfrac{d\vec{c}}{dt} - m\ \dfrac{d\vec{v}}{dt} \end{aligned} \end{equation} \]

中, \(m\) 是粒子的质量,\(\vec{c}\) 是矢量光速,\(\vec{v}\) 是粒子运动速度, \(t\) 是时间。

上式中 \((\vec{c} - \vec{v})\ \dfrac{dm}{dt} = \vec{c}\ \dfrac{dm}{dt} - \vec{v}\ \dfrac{dm}{dt}\) 是速度乘以质量随时间变化的力,简称加质量力。

统一场论认为其本质就是电磁场力,其中 \(\vec{c}\ \dfrac{dm}{dt}\) 是电场力,\(\vec{v}\ \dfrac{dm}{dt}\) 是磁场力,

按照统一场论的看法,以上的 \(o\) 点静止在 \(s'\) 里时候,具有静止质量 \(m'\) ,周围的空间以矢量光速度 \(\vec{c'}\) 离开 \(o\) 点运动,带有电荷 \(\dfrac{dm'}{dt'}\) \(\overrightarrow{F_\text{静}}\) 可以表示为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_\text{静}} = \vec{c'}\ \dfrac{dm'}{dt'} \end{equation} \]

\(s\) 系里,当 \(o\) 点【运动质量为 \(m\) 】以速度 \(\vec{v}\) 沿 \(x\) 轴运动的时候,周围空间以矢量光速 \(\vec{c}\) \(\vec{c}\)\(\vec{c'}\) 的方向不一样,模一样】离开 \(o\) 点运动,沿 \(\vec{v}\) 平行方向【也就是沿 \(x\) 轴方向】受到了电场力 \(\overrightarrow{F_x_\text{动}}\) 可以表示为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_x_{\text{动}}} = \vec{c_x}\ \dfrac{dm}{dt} \end{equation} \]

数量式为:

\[ \begin{equation}\nonumber F_x_{\text{动}} = c\ \dfrac{dm}{dt} \end{equation} \]

点击展开注解:关于上面 \(\vec{c_x}\) 含义的说明

相应的,

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_x_\text{静}} = \vec{c_x'}\ \dfrac{dm'}{dt'} \end{equation} \]

数量式为:

\[ \begin{equation}\nonumber F_x_\text{静} = c\ \dfrac{dm'}{dt'} \end{equation} \]

由于光速 \(c\) 和电荷都不随速度 \(\vec{v}\) 变化,也就是

\[ \begin{equation}\nonumber \dfrac{dm'}{dt'} = \dfrac{dm}{dt} \end{equation} \]

所以,

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_x_\text{静}} = \overrightarrow{F_x_\text{动}} \end{equation} \]

\(c\)\(\vec{c}\) 的标量, \(v\)\(\vec{v}\) 的标量, \(F\) 是力 \(\vec{F}\) 的标量。\(\vec{c_x'}\) 表示矢量光速 \(\vec{c'}\)\(s'\) 系里的 \(x\) 轴上, \(\vec{c_x}\) 表示矢量光速 \(\vec{c}\)\(s\) 系里的 \(x\) 轴上。

注意, \(t\)\(t'\) 是不一样的。\(\vec{c'}\)\(\vec{c}\) 方向不一样,但是,模都是标量光速 \(c\) ,并且 \(c\) 是不变的。

矢量光速 \(\vec{c'}\)\(\vec{c}\) 如果在沿 \(\vec{v}\) 垂直方向,受到了电场力:

\(s'\) 系里,

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_y_\text{静}} = \vec{c_y'}\ \dfrac{dm'}{dt'} \end{equation} \]

数量式为:

\[ \begin{equation}\nonumber F_y_\text{静} = c\ \dfrac{dm'}{dt'} \end{equation} \]

\(s\) 系里,

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{F_y_\text{动}} = \vec{c_y}\ \dfrac{dm}{dt} \end{equation} \]

由相对论速度变换,其数量式为:

\[ \begin{equation}\nonumber F_y_\text{动} = c\ \dfrac{dm}{dt}\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}} \end{equation} \]

所以,有:

\[ \begin{equation}\nonumber \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}\ F_y_\text{静} = F_y_\text{动} \end{equation} \]

同样的理由可以得出:

\[ \begin{equation}\nonumber \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}\ F_z_\text{静} = F_z_\text{动} \end{equation} \]

以上结论和相对论电磁力的变换是一致的。令 \(o\) 点的电荷为 \(q\) ,如果静电场表示为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{E'} = \dfrac{\overrightarrow{F_\text{静}}}{q} = \overrightarrow{c'}\ \dfrac{dm'}{dt'}\ \dfrac{1}{q} \end{equation} \]

动电场表示为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{E} = \dfrac{\overrightarrow{F_\text{动}}}{q} = \overrightarrow{c}\ \dfrac{dm}{dt}\ \dfrac{1}{q} \end{equation} \]

\(o\) 点以匀速度 \(\vec{v}\) 沿 \(x\) 轴正方向直线运动的时候,在 \(x\) 轴上,\(\vec{c}\)\(\vec{c'}\) 的数量是一样的,都是 \(c\) ,由于 \(\dfrac{dm'}{dt'}\)\(q\) 是不变的,所以,

\[ \overrightarrow{E_x} = \overrightarrow{E_x'} \]

\(y\) 轴和 \(z\) 轴上,\(\vec{c}\) 的数量是 \(c\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}\)\(\vec{c'}\) 的数量是 \(c\)

所以,

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} F_y &= \dfrac{dm}{dt}\ c\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}} \\ &= \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}} \\ &= \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}} \end{aligned} \end{equation} \]

如果认为

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{E_y'} = \dfrac{\overrightarrow{F_y_\text{静}}}{q} = \overrightarrow{c_y'}\ \dfrac{dm'}{dt'}\ \dfrac{1}{q} \end{equation} \]

是静电场 \(\overrightarrow{E'}\)\(y\) 轴上的分量,

\[ \begin{equation}\nonumber E_y = \dfrac{dm}{dt}\ c\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}\ \dfrac{1}{q} \end{equation} \]

是运动电场 \(\overrightarrow{E}\)\(y\) 轴上的分量的话,则:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{E_y'} = \overrightarrow{E_y}\ \sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}} \end{equation} \]

注意,

\[ \begin{equation}\nonumber \dfrac{dm'}{dt'}\ c\ \dfrac{1}{q} = \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{1}{q} \end{equation} \]

\(\overrightarrow{E_z}\) 的分析,会得到同样的结果,这个结果和相对论的电场变换是一样的。

我们还可以看到,运动电场力在速度 \(\vec{v}\) 的垂直方向可以写成;

\[ \begin{equation}\nonumber F_\text{垂} = \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}} \end{equation} \]

变成了两部分,一部分与速度 \(\vec{v}\) 相关。

如果认为

\[ \begin{equation}\nonumber \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{1}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}} \end{equation} \]

是电场力,与速度 \(\vec{v}\) 【数量为 \(v\) 】相关的那部分力

\[ \begin{equation}\nonumber \dfrac{dm}{dt}\ c\ \dfrac{\dfrac{v^2}{c^2}}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}} \end{equation} \]

是磁场【用 \(\vec{B}\) 表示】力,则 \(\vec{E}\)\(\vec{B}\) 满足【用矢量表示】以下矢量叉乘关系:

\[ \begin{equation}\nonumber \vec{B} = \dfrac{1}{c^2}\ \vec{v} \times \vec{E} \end{equation} \]

这个结果和相对论是一样的。