2.6 Релятивизм электромагнитного поля

2.6.1 Особая физическая значимость скорости света

☻ Одно из фундаментальных свойств электромагнитных волн состоит в том, что скорость их распространения в свободном пространстве не зависит ни от частоты волн, ни от их интенсивности. При любых значениях этих параметров скорость волны совпадает со скоростью света и иной не бывает. Физическими свойствами волнового электромагнитного поля обладают:

- радиоволны ,

- световые волны ,

- рентгеновские лучи ,

- - лучи.

Все эти виды излучения с общим диапазоном по частоте от доили по длинам волн отдораспространяются в свободном пространстве с одинаковой скоростью, равной скорости света. Особая физическая значимость скорости света получила дополнительное обоснование, когда экспериментальными исследованиями было доказано, что скорость световой электромагнитной волны остаётся одинаковой в различных инерциальных системах отсчёта, независимо от того, как при этом движутся сами системы отсчёта – по ходу волны или навстречу ей. С позиции механического принципа относительности этот результат был неожиданным, но он был признан как физическая реальность большой фундаментальной значимости. В силу этого он был положен в основу специальной теории относительности в качестве её первого постулата: скорость света абсолютна во всех инерциальных системах отсчёта и является универсальной константой для всех электромагнитных излучений.

2. Преобразования Лоренца

☻ Инвариантность скорости света в различных инерциальных системах отсчёта потребовала радикального пересмотра физических представлений о пространстве и времени. Она привела к отказу от классических взглядов, согласно которым пространство и время считались абсолютными и способными существовать сами по себе без материи, проявляя полную инвариантность к различным инерциальным системам отсчёта. Строгим физическим обоснованием было показано, что пространство и время без материи существовать не могут и не могут проявлять себя независимо от разных инерциальных систем отсчёта. Столь радикальные выводы вытекают из преобразований Лоренца, заложенных в основу специальной теории относительности. В этих преобразованиях выражается релятивистская взаимосвязь между координатами и временем в различных инерциальных системах отсчёта и:

,

.

Из них следует, что пространство и время не абсолютны, а относительны и инвариантностью не обладают. Это обусловлено фундаментальным свойством электромагнитного поля – его абсолютной скоростью распространения, совпадающей во всех случаях со скоростью света. Из них также следует, что скорость света – это предельная возможная в природе максимальная скорость движения.

2.6.3 Инвариантность законов физики

☻ Поскольку скорость электромагнитного излучения одинакова в различных инерциальных системах отсчёта, то по этой скорости невозможно отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой. Но также невозможно отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой и по фундаментальным законам физики, поскольку они проявляют себя одинаково, т. е. инвариантно в любой из таких систем. Именно поэтому инвариантность законов физики положена в основу специальной теории относительности в качестве её второго постулата. Инвариантность закона физики вовсе не означает инвариантности тех величин, через которые он выражается математически в виде формулы или уравнения. Неинвариантные величины с переходом от одной системы отсчёта к другой подлежат такому релятивистскому преобразованию, которого требует инвариантность закона. Эти преобразования в разных законах физики многочисленны и разнообразны, но в их основе всегда лежат преобразования Лоренца, т.е. преобразования координат и времени при инвариантности скорости света. Именно лоренцовские преобразования неинвариантных величин обеспечивают инвариантность физического закона.

2.6.4 Инвариантность уравнений Максвелла

Уравнения Максвелла относятся к фундаментальным законам физики и они, как и другие законы физики, инвариантны к различным инерциальным системам отсчёта. Но инвариантность данных уравнений накладывает требование на выполнение релятивистских преобразований тех величин, которые входят в данные уравнения, но сами инвариантными не являются. Это касается всех характеристик электромагнитного поля, плотности заряда и плотности тока и не касается только электрического заряда – он инвариантен. В двух инерциальных системах отсчета К и К' поля в одной и той же точке пространства описываются одинаковыми, т.е. инвариантными уравнениями Максвелла.

но при этом

5. Релятивистские преобразования электромагнитного поля

☻ Электрическое и магнитное поля инвариантностью не обладают. Если в неподвижной инерциальной системе отсчёта фиксируются характеристики электромагнитного поляв данной точке пространства, то в другой системе отсчётав той же точке пространства будут фиксироваться иные значения указанных характеристики это соответствует действительности. Если скорость подвижной системымала по сравнению со скоростью света (), то релятивистские преобразования приводят к следующей взаимосвязи между полями в системахи:

,

,

,

.

Здесь поля в системе выражены через поля в системе. Это преобразование отк. В случае обратного преобразования откдостаточно в приведённых формулах переставить штрих и заменить знакна противоположный. Из приведённых формул следует, что если в одной системе отсчёта фиксируется только одно из двух полей – электрическое или магнитное, то в другой системе отсчёта могут фиксироваться в той же точке пространства два поля одновременно электрическое и магнитное. Важен и обратный вывод. От двух полей электрического и магнитного можно перейти только к одному из них путём перехода в другую систему отсчёта. Таким образом, электрическое и магнитное поля относительны, их характеристики зависят от выбора системы отсчёта.

2.6.6 Релятивизм магнитного поля электрического заряда движущегося с постоянной скоростью

☻ Из формул релятивистского преобразования электрического и магнитного полей следует, что движущийся с постоянной скоростью электрический заряд образует вокруг себя и вокруг траектории своего движения вихревое магнитное поле

,

где – радиус - вектор от заряда до произвольной точки поля. Самое сильное поле сосредоточено около заряда, когдаимало. Самое слабое поле образуется вблизи траектории, когдаили, т. е. когда. Если относительно системызаряд движется, а относительно системыпокоится, то в первом случаи, а во втором. Таким образом в одной системе магнитное поле есть, а в другой - его нет. Это значит, что магнитное поле движущегося заряда относительно и его можно рассматривать как релятивистский эффект.

7. Релятивизм магнитного поля тока

☻ При малых скоростях движения отдельного заряда его магнитное поле отличается ничтожной интенсивностью. В случае же электрического тока, когда его магнитное поле образуется гигантским количеством движущихся в токопроводе электрических зарядов, интенсивность поля становится значительной. Но магнитное поле тока при этом остается тем же релятивистским эффектом, как и в случае отдельного заряда.