36-匀速直线运动物体的引力场变化产生电场

黄色表示原文中的重点语句; 红色表示 "新增配图" 或者 "对原文细节错误进行修正"; 蓝色表示我自己的一些见解; 绿色表示一些疑问;

以上指出,物体粒子 \(o\) 点相对于我们观察者静止的时候,周围引力场 \(\overrightarrow{A'}\) 的散度为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A'} = \dfrac{\partial A_x'}{\partial x'} + \dfrac{\partial A_y'}{\partial y'} + \dfrac{\partial A_z'}{\partial z'} \end{equation} \]

\(A_x'\)\(A_y'\)\(A_z'\)\(\overrightarrow{A'}\) 分别在三个坐标轴上的分量。

\(o\) 点相对于我们以速度 \(\vec{v}\) 的散度为:

\[ \begin{equation}\nonumber \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A} = \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} \end{equation} \]

对洛伦兹正变换 \(x' = \gamma\ (x - v\ t)\) 求偏微分,得到 \(\dfrac{1}{\gamma}\ \dfrac{\partial}{\partial x} = \dfrac{\partial}{\partial x'}\) ,再加上 \(\partial y = \partial y'\)\(\partial z = \partial z'\) ,再加以上的引力场的相对论变换,得到:

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A'} &= \dfrac{1}{\gamma}\ \dfrac{\partial \dfrac{A_x}{\gamma}}{\partial x} + \dfrac{1}{\gamma}\ \dfrac{\partial \dfrac{A_y}{\gamma}}{\partial y} + \dfrac{1}{\gamma}\ \dfrac{\partial \dfrac{A_z}{\gamma}}{\partial z} \\ &= \dfrac{1}{\gamma^2}\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{1}{\gamma^2}\ \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{1}{\gamma^2}\ \dfrac{\partial A_z}{\partial z} \\ &= \dfrac{1}{\gamma^2}\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A} \end{aligned} \end{equation} \]

点击展开注解:关于上述推导所需的引力场的相对论变换

由以上可以得到:

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A'} &= (1 - \dfrac{v^2}{c^2})\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v^2}{c^2}\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x} - \dfrac{v^2}{c^2}\ \dfrac{\partial A_y}{\partial y} - \dfrac{v^2}{c^2}\ \dfrac{\partial A_z}{\partial z} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_y}{\partial y} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_z}{\partial z} \end{aligned} \end{equation} \]

把上式改为矢量形式,由于这里是散度,不是旋度,所以,用速度 \(\vec{v}\) 的三个分量去点乘。

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A'} &= (1 - \dfrac{v^2}{c^2})\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_y}{\partial y} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_z}{\partial z} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v}{c^2}\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x}\ \vec{v} \cdot \vec{i} - \dfrac{v}{c^2}\ \dfrac{\partial A_y}{\partial y}\ \vec{v} \cdot \vec{j} - \dfrac{v}{c^2}\ \dfrac{\partial A_z}{\partial z}\ \vec{v} \cdot \vec{k} \end{aligned} \end{equation} \]

点击展开修正

上式中 \(\vec{i}\)\(\vec{j}\)\(\vec{k}\) 是引力场 \(\vec{A}\) 分别在 \(x\)\(y\)\(z\) 轴上的三个分量 \(A_x\)\(A_y\)\(A_z\) 的单位矢量。由数学中矢量点乘定理,加上速度定义得到的 \(v\ \dfrac{\partial}{\partial x} = \dfrac{\partial}{\partial t}\)

有:

\[ \begin{equation}\nonumber \begin{aligned} \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A'} &= (1 - \dfrac{v^2}{c^2})\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{A} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v}{c^2}\ v\ \dfrac{\partial A_x}{\partial x} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} - \dfrac{v}{c^2}\ \dfrac{\partial A_x}{\partial t} \\ &= \dfrac{\partial A_x}{\partial x} + \dfrac{\partial A_y}{\partial y} + \dfrac{\partial A_z}{\partial z} + \dfrac{v}{c^2}\ \dfrac{1}{f}\ E_x \end{aligned} \end{equation} \]

注意,上式中用到了电场 \(\vec{E}\)\(x\) 轴上的分量 \(E_x\) 和引力场 \(\vec{A}\) 的在 \(x\) 轴上的分量 \(A_x\) 之间的关系式 \(E_x = -\ f\ \dfrac{\partial A_x}{\partial t}\)

以上表明,物体粒子 \(o\) 点相对于我们观察者静止时候在周围空间产生了引力场 \(\overrightarrow{A'}\) ,当以速度 \(\vec{v}\) 表示】,变成了两部分,一部分与速度无关,一部分与运动速度有关,而与速度有关的、沿 \(x\) 轴分布的那部分,其实就是电场。

利用运动物体粒子的引力场和电场之间的关系,还可以导出磁场的旋度和变化引力场之间的关系。

将以上的运动电场 \(\vec{E}\) 和运动引力场 \(\vec{A}\) 之间的关系

\[ \begin{equation}\nonumber \vec{E} = -\ f\ \dfrac{d\vec{A}}{dt} \end{equation} \]

点击展开修正:\(\dfrac{d\vec{A}}{dt}\) 或应修正为 \(\dfrac{\partial \vec{A}}{\partial t}\)

带入麦克斯韦方程组中的:

\[ \begin{equation}\nonumber \mu_0\ \vec{J} + \dfrac{1}{c^2}\ \dfrac{\partial \vec{E}}{\partial t} = \overrightarrow{\nabla} \times \overrightarrow{B} \end{equation} \]

中,得到:

\[ \begin{equation}\nonumber \mu_0\ \vec{J} - \dfrac{f}{c^2}\ \dfrac{\partial^2 \vec{A}}{\partial t^2} = \overrightarrow{\nabla} \times \overrightarrow{B} \end{equation} \]

式中 \(\vec{J}\) 是密度为 \(\rho\)\(\dfrac{\rho}{\varepsilon_0} = \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{E}\) 】电荷体沿 \(x\) 轴正方向以速度 \(\vec{v}\) 运动形成的电流,

\[ \begin{equation}\nonumber \mu_0\ \vec{J} = \mu_0\ \varepsilon_0\ \dfrac{\vec{v}\ \rho}{\varepsilon_0} = \dfrac{1}{c^2}\ \dfrac{\vec{v}\ \rho}{\varepsilon_0} \end{equation} \]

\(\mu_0\ \vec{J}\) 在麦克斯韦方程中可以写为 \(\dfrac{\vec{v}}{c^2}\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{E}\) 】,所以,上式可以写为:

\[ \begin{equation}\nonumber \dfrac{\vec{v}}{c^2}\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{E} - \dfrac{f}{c^2}\ \dfrac{\partial^2 \vec{A}}{\partial t^2} = \overrightarrow{\nabla} \times \overrightarrow{B} \end{equation} \]

所以:

\[ \begin{align} \dfrac{f}{c^2}\ \dfrac{\partial^2 \vec{A}}{\partial t^2} &= \dfrac{\vec{v}}{c^2}\ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{E} - \overrightarrow{\nabla} \times \overrightarrow{B} \nonumber \\ \dfrac{\partial^2 \vec{A}}{\partial t^2} &= \dfrac{1}{f}\ \vec{v}\ (\overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{E}) - \dfrac{c^2}{f}\ \overrightarrow{\nabla} \times \overrightarrow{B} \nonumber \end{align} \]

上式表示,变化的引力场可以产生电场,也可以产生磁场。

这种情况和麦克斯韦方程是类似的,引力场可以纳入到麦克斯韦方程中,作为麦克斯韦方程的扩展形式。