Повторить: гл. 28 (вып. 3) «Электромагнитное излучение»; гл. 31 (вып. 3)«Как возникает показатель преломления»; гл. 34 (вып. 3) «Релятивистские явления в излучении»
§ 1. Свет и электромагнитные волны
В предыдущей главе мы видели, что среди решений уравнений Максвелла есть электромагнитные волны. Свету, радио, рентгеновским лучам и т. д. отвечают электромагнитные волны отличающиеся только длиной волны. Мы уже подробно изучали различные явления, связанные со светом. В этой главе мы хотим связать оба вопроса и показать, что уравнения Максвелла действительно могли служить основой для изучения свойств света.
Наше изучение света мы начали с того, что выписали уравнение для электрического поля, создаваемого зарядом, который мог как-то произвольно двигаться. Уравнение имело вид
[см. гл. 28 (вып. 3), выражение (28.3)][27].
Если заряд движется произвольным образом, то электрическое поле, которое существует в некоторой точке, в настоящий момент зависит только от положения и движения заряда в более ранний момент времени, отстающий на интервал, необходимый для того, чтобы свет, двигаясь со скоростью с, прошел расстояние r' от заряда до точки поля. Иными словами, если вам нужно знать электрическое поле в точке (1) в момент t, вы должны подсчитать положение (2') заряда и его движение в момент (t-r'/с) [где r' — расстояние до точки (1)] из положения заряда (2') в момент (t—r/с). Штрихи здесь напоминают вам, что r' — это так называемое «запаздывающее расстояние» от точки (2') к точке (1), а вовсе не теперешнее расстояние между точкой (2) — положением заряда в момент t — и точкой поля (1) (фиг. 21.1).
Фиг. 21.1. Поля в точке (1) в момент t зависят от того положения (2'), которое заряд q занимал в момент (t — r'/с).
Заметьте, что сейчас по-иному определяется направление единичного вектора еr. В гл. 28 и 34 (вып. 3) мы уславливались, что r (и, стало быть, еr) будет показывать на источник. Теперь же мы следуем определению, используемому в формулировке закона Кулона, по которому r направлено от заряда [в точке (2)] к точке (1) поля. Единственное отличие в том, что новое r (и еr) противоположно старому.
Мы видели также, что если скорость заряда v всегда много меньше с и если рассматриваются только точки, сильно удаленные от заряда, так что в (21.1) существенно лишь последнее слагаемое, то поля можно также записать в виде
и
Рассмотрим более детально, что дает полное уравнение (21.1). Вектор еr — это единичный вектор, направленный от «запаздывающей» точки (2') к точке (1). Тогда первое слагаемое дает то, чего следовало бы ожидать, если бы заряд в своем «запаздывающем» положении создавал кулоново поле,— это можно назвать «запаздывающим кулоновым полем». Электрическое поле обратно пропорционально квадрату расстояния и направлено от «запаздывающего» положения заряда (т. е. по вектору еr').
Но это только первое слагаемое. Остальные напоминают нам, что законы электричества не утверждают, что все поля, оставаясь, как и были, статическими, начинают просто запаздывать (а такое утверждение порой приходится слышать). К «запаздывающему кулонову полю» надо добавить два других слагаемых.
Второе говорит, что к запаздывающему кулонову полю надо сделать «поправку», равную быстроте изменения запаздывающего кулонова поля, умноженной на r'/с, т. е. на само запаздывание. Этот множитель как бы стремится скомпенсировать запаздывание в первом. Два первых слагаемых соответствуют вычислению «запаздывающего кулонова поля» и затем экстраполяции его в будущее, на время r'/с, т. е. как раз к моменту t! Экстраполяция линейна, как если бы мы предположили, что «запаздывающее кулоново поле» будет по-прежнему изменяться со скоростью, рассчитанной для заряда в точке (2'). Если поле меняется медленно, эффект запаздывания почти полностью сводится на нет поправочным слагаемым, и оба слагаемых вместе приводят к величине электрического поля, очень близкой к «мгновенному кулонову полю» заряда, находящегося в точке (2).
Наконец, в формуле (21.1) имеется еще третье слагаемое — вторая производная единичного вектора еr'. Изучая явление света, мы по существу использовали тот факт, что вдали от заряда два первых слагаемых убывают как обратный квадрат расстояния и на больших расстояниях оказываются слишком слабыми по сравнению с третьим, которое убывает как 1/r. Поэтому мы сосредоточили наше внимание на последнем слагаемом и показали, что оно (опять-таки на больших расстояниях) пропорционально компоненте ускорения заряда, поперечной к линии зрения. (Кроме того, почти всюду ранее мы рассматривали только случай, когда заряды двигались нерелятивистски. Релятивистские эффекты рассматривались только в гл. 34, вып. 3.)
Теперь нужно попробовать связать эти две вещи. У нас есть уравнения Максвелла и есть формула (21.1) для поля точечного заряда. Естественно спросить, эквивалентны ли они? Если мы сможем вывести (21.1) из уравнений Максвелла, то действительно поймем связь света с электромагнетизмом. Вывод ее и есть главная цель этой главы.
Выясняется, что полного вывода мы сделать не можем — чересчур сложные математические детали не позволят нам выйти с поля боя без потерь. Но все же мы подойдем к цели достаточно близко, так что вы легко поймете, как может быть установлена интересующая нас связь. Мы опустим лишь некоторые математические детали. Математика этой главы может показаться некоторым из вас довольно сложной, и, возможно, вам даже станет скучно следить внимательно за выводом. Но мы все же считаем, что очень важно связать то, что вы учили раньше, с тем, что вы изучаете сейчас, или по крайней мере продемонстрировать, как эта связь может быть установлена. Если вы не забыли прежние главы, то обратите внимание на то, что всякий раз, как мы принимали некоторое высказывание за исходную точку обсуждения, мы заботливо объясняли, является ли это высказывание новым «допущением», т. е. отражает ли оно основной закон природы или же его можно в конечном счете вывести из каких-то других законов. Дух этих лекций обязывает нас обсудить связь между светом и уравнениями Максвелла. Может быть, вам будет кое-где и трудно — с этим уж ничего не поделаешь: другого пути не существует.
§ 2. Сферические волны от точечного источника
В гл. 18 мы установили, что уравнения Максвелла можно решать подстановкой
(21.2)
и
(21.3)
где φ и А обязаны удовлетворять уравнениям
(21.4)
и
(21.5)
и, кроме того, условию
(21.6)
Найдем теперь решение уравнений (21.4) и (21.5). Для этого надо уметь решать уравнение
(21.7)
где величина s (которая называется источником) известна. Ясно, что для уравнения (21.4) s соответствует ρ/ε0, а ψ — это φ, а для уравнения (21.5) s соответствует jx/ε0с2, если ψ — это Ах, и т. д. Но нас интересует чисто математическая задача решения (21.7) безотносительно к тому, каков физический смысл ψ и s.
Там, где ρ и j равны нулю (это место называется «пустотой»), там потенциалы φ и А и поля Е и В удовлетворяют трехмерному волновому уравнению без источников; математическая форма этого уравнения такова:
(21.8)
В гл. 20 мы видели, что решения этого уравнения могут представлять волны разных сортов: плоские волны, бегущие в x-направлении ψ=f(t-x/с); плоские волны, бегущие вдоль у или вдоль z или в любом другом направлении; сферические волны вида
(21.9)
(Решения можно записать иначе — например в виде цилиндрических волн, разбегающихся от оси.)
Мы тогда заметили, что физически формула (21.9) относится не совсем к пустоте: в начале координат должны быть какие-то заряды, иначе расходящаяся волна не получилась бы. Иными словами, формула (21.9) есть решение уравнения (21.8) всюду, кроме непосредственной окрестности точки r=0, где (21.9) представляет собой решение полного уравнения (21.7), в правой части которого стоят источники. Давайте теперь посмотрим, что это за уравнение, т. е. какого рода источник s в уравнении (21.7) должен вызвать волну типа (21.9).
Предположим, что имеется сферическая волна (21.9) и поглядим, во что она превращается при очень малых r. Тогда запаздыванием -r/с в f(t-r/с) можно пренебречь, и поскольку функция f плавная, ψ превращается в
(21.10)
Итак, ψ в точности похоже на кулоново поле заряда, расположенного в начале координат. Мы знаем, что для небольшого сгустка заряда, ограниченного очень малой областью близ начала координат и имеющего плотность ρ,
где Q=∫ρdV. Такой потенциал φ удовлетворяет уравнению
Следуя тем же расчетам, мы должны были бы сказать, что ψ из выражения (21.10) удовлетворяет уравнению
(21.11)
где s связано с f формулой
при
Единственная разница в том, что в общем случае s, а, стало быть, и S может оказаться функцией времени.
Далее очень важно то, что если ψ удовлетворяет (21.11) при малых r, то оно удовлетворяет также и (21.7). По мере приближения к началу координат зависимость ψ от r типа 1/r приводит к тому, что пространственные производные становятся очень большими. А производные по времени остаются теми же. [Это просто производные f(t) по времени.] Так что, когда r стремится к нулю, множителем ∂2ψ/∂t2 в уравнении (21.7) по сравнению с ∇2ψ можно пренебречь, и (21.7) становится эквивалентным уравнению (21.11).
Подытоживая, можно сказать, что если функция источника s(t) из уравнения (21.7) сосредоточена в начале координат и ее общая величина равна
(21.12)
то решение уравнения (21.7) имеет вид
(21.13)
Влияние слагаемого с ∂2ψ/∂t2 в (21.7) сказывается лишь на появлении запаздывания (t-r/с) в потенциале кулонова типа.
§ 3. Общее решение уравнений Максвелла
Мы нашли решение уравнения (21.7) для «точечного» источника. Теперь встает новый вопрос: Каков вид решения для рассредоточенного источника? Ну, это решить легко; всякий источник s(x, у, z, t) можно считать состоящим из суммы многих «точечных» источников, расположенных поодиночке в каждом элементе объема dV и имеющих силу s(x, у, z, t)dV. Поскольку (21.7) линейно, суммарное поле представляет собой суперпозицию полей от всех таких элементов источника.
Используя результаты предыдущего параграфа [см. (21.13)], мы получим, что в момент t поле dψ в точке (х1, y1, z1) [или, короче, в точке (1)], создаваемое элементом источника sdV в точке (х2, у2, z2) [или, короче, в точке (2)], выражается формулой
где r12 — расстояние от (2) до (1). Сложение вкладов от всех частей источника означает, конечно, интегрирование по всей области, где s≠0, так что мы имеем
(21.14)
Иначе говоря, поле в точке (1) в момент времени t представляет собой сумму всех сферических волн, испускаемых в момент t-r12/c всеми элементами источника, расположенного в точке (2). Выражение (21.14) является решением нашего волнового уравнения для любой системы источников.
Теперь мы видим, как получать общее решение уравнений Максвелла. Если подразумевать под ψ скалярный потенциал φ, то функция источника s превращается в ρ/ε0. А можно считать, что ψ представляет одну из трех компонент векторного потенциала А; тогда s означает соответствующую компоненту j/ε0c2. Стало быть, если во всех точках известна плотность зарядов ρ(х, у, z, t) и плотность тока j(х, у, z, t), то решения уравнений (21.4) и (21.5) можно выписать немедленно:
(21.15)
(21.16)
Поля Е и В получатся дифференцированием потенциалов [используются выражения (21.2) и (21.3)]. Кстати, можно проверить явно, что φ и А, полученные из (21.15) и (21.16), действительно удовлетворяют равенству (21.6).
Мы решили уравнения Максвелла. В любых обстоятельствах, если только заданы токи и заряды, из этих интегралов можно определить потенциалы, а затем, продифференцировав их, получить поля. Тем самым с теорией Максвелла покончено. И это позволяет нам также замкнуть круг и вернуться к нашей теории света, потому что достаточно только подсчитать электрическое поле движущегося заряда, чтобы связать все это с нашей прежней теорией света. Все, что нам остается сделать,— это взять движущийся заряд, вычислить из этих интегралов его потенциал и затем из -∇φ-∂A/∂t, дифференцируя, найти Е. Мы должны получить формулу (21.1). Работы придется проделать много, но принцип ясен.
Итак, мы дошли до центра электромагнитной вселенной. У нас в руках полная теория электричества, магнетизма и света, полное описание полей, создаваемых движущимися зарядами, и многое, многое другое. Все сооружение, воздвигнутое Максвеллом, во всей его полноте, красе и мощи сейчас перед нами. Это, пожалуй, одно из величайших свершений физики. И чтобы напомнить о его важности, мы переписываем все формулы вместе и обводим их красивой рамкой.
§ 4. Поля колеблющегося диполя
Мы пока еще не провели обещанного вывода формулы (21.1) для электрического поля движущегося точечного заряда. Даже зная то, что мы уже знаем, этот вывод все равно проделать нелегко. Нам не удалось обнаружить формулы (21.1) нигде, ни в каких книжках и статьях (кроме первых выпусков этих лекций[28]). Это свидетельствует о том, что вывод ее не прост. (Поля движущегося заряда записывались неоднократно и в других видах, которые все, конечно, эквивалентны.) Мы ограничимся поэтому здесь тем, что просто покажем на нескольких примерах, что (21.15) и (21.16) приводят к тем же результатам, что и (21.1). Первым делом мы покажем, что при том единственном условии, что движение заряженной частицы является нерелятивистским, (21.1) приводит к правильной величине полей. (Уже этот частный случай покрывает 90% всего того, что было сказано о явлении света.)
Рассмотрим такую ситуацию, когда имеется сгусток зарядов, каким-то образом перемещающийся в небольшой области; требуется найти создаваемые им где-то вдалеке от этого места поля. Можно поставить вопрос и иначе: мы найдем поле на произвольном расстоянии от точечного заряда, который почти незаметно колеблется вверх и вниз. Поскольку свет обычно испускают такие нейтральные тела, как атомы, то мы будем считать, что наш колеблющийся заряд q расположен вблизи неподвижного, равного по величине, но противоположного по знаку заряда. Если расстояние между центрами зарядов равно d, то у зарядов появится дипольный момент p=qd, который мы будем считать функцией времени. Следует ожидать, что поблизости от зарядов запаздыванием поля можно будет пренебречь; электрическое поле будет в точности таким же, как и то, которое получалось раньше для электростатического диполя [но, конечно, с мгновенным дипольным моментом p(t)]. Однако при большом удалении в формуле для поля должно появиться добавочное слагаемое, которое меняется как 1/r и зависит от того, каково ускорение заряда в направлении, поперечном к лучу зрения. Посмотрим, получится ли у нас этот результат.
Начнем с вычисления векторного потенциала А при помощи (2.16). Пусть плотность зарядов в сгустке есть ρ(х, у, z) и весь он движется все время со скоростью v. Тогда плотность тока j(x, у, z) равна vρ(x, y, z). Удобно систему координат расположить так, чтобы ось z была направлена по v; тогда геометрия нашей задачи изобразится так, как показано на фиг. 21.2.
Фиг. 21.2. Потенциалы в точке (1) даются интегралами от плотности заряда ρ.
Нас интересует интеграл
(21.17)
Если размеры заряда-сгустка на самом деле намного меньше, чем r12, то r12 в знаменателе можно положить равным r (расстоянию от центра сгустка) и вынести r за знак интеграла. Кроме того, мы собираемся положить и в числителе r12=r, хотя это и не совсем верно. А неверно это потому, что на самом деле, скажем, полагается брать j в верхней части сгустка совсем не в тот момент, когда в нижней, а немного в другое время. Полагая r12=r в j(t-r12/с), мы вычисляем плотность тока для всего сгустка в одно и то же время (t-r/с). Это приближение годится лишь тогда, когда скорость v заряда много меньше с. Мы, стало быть, ведем расчет в нерелятивистском случае. После замены j на ρv интеграл (21.17) превращается в
Раз скорость всех зарядов в сгустке одна и та же, этот интеграл просто равен v/r, умноженному на общий заряд q. Но qv — это как раз ∂p/∂t (скорость изменения дипольного момента), только надо ее, конечно, определять в более раннее время (t-r/с). Запишем эту величину так: .p(t-r/с). Итак, мы получаем для векторного потенциала
Мы узнали, что ток в меняющемся диполе создает векторный потенциал в форме сферических волн, источник которых обладает силой .р/4πε0с2.
Теперь из B=∇×A можно получить магнитное поле. Поскольку .р направлен по оси z, у А есть только z-компонента; в роторе остаются только две ненулевые производные. Значит, Вх=∂Az/∂y и В=—∂Az/∂x. Поглядим сперва на Вх:
(21.19)
Чтобы продифференцировать, вспомним, что r=√(x2+y2+z2), так что
(21.20)
Но мы помним, что ∂r/∂y=y/r; значит, первое слагаемое даст
(21.21)
что убывает как 1/r2, т. е. как поле статического диполя (потому что в данном направлении у/r постоянно).
Второе слагаемое в (21.20) приводит к новому эффекту. Если провести в нем дифференцирование, то получится
(21.22)
где р" — просто вторая производная р по t. Вот это-то получающееся от дифференцирования числителя слагаемое и ответственно за излучение. Во-первых, оно описывает поле, убывающее на расстоянии как 1/r, во-вторых, зависит от ускорения заряда. Теперь вам должно быть ясно, как мы собираемся получить формулу типа (21.1'), описывающую световое излучение.
Явление это настолько интересно и важно, что стоит немного подробнее разобраться в том, откуда берется это «радиационное» слагаемое. Мы начинали с выражения (21.18), зависящего от r как 1/r и тем самым похожего на кулонов потенциал (если не обращать внимания на запаздывающий множитель в числителе). Почему же когда мы, желая получить поле, дифференцируем по пространственным координатам, то не получаем просто поля вида 1/r2 (конечно, с соответствующей временной задержкой)?
А вот почему. Представьте, что диполь приведен в колебательное движение вверх и вниз. Тогда
и
Если начертить график зависимости Аr от r в каждый данный момент, то получится кривая, показанная на фиг. 21.3.
Фиг. 21.3. Зависимость величины А от r в момент t для сферической волны от колеблющегося диполя.
Амплитуда в пиках убывает как 1/r, но, кроме того, еще имеются пространственные колебания, которые ограничены огибающей вида 1/r. Пространственные производные в формуле пропорциональны наклону кривой. Из фиг. 21.3 видно, что встречаются намного более крутые наклоны, чем наклон самой кривой 1/r. Очевидно, что при данной частоте наклоны в пиках пропорциональны амплитуде волны, меняющейся как 1/r. Тем самым объясняется степень спадания радиационного слагаемого с расстоянием.
Все это получается оттого, что временные вариации в источнике превращаются в пространственные вариации, когда волны начинают разбегаться в стороны, магнитные же поля зависят от пространственных производных потенциала.
Теперь возвратимся назад и закончим наши расчеты магнитного поля. Для Вх мы получили (21.21) и (21.22). Поэтому
(21.1')
С помощью точно таких же выкладок мы придем к
И все это можно объединить в одну красивую векторную формулу:
(21.23)
А теперь взгляните на нее. Прежде всего на больших удалениях (когда r велико) следует принимать в расчет только ..р. Направление В дается вектором ..p×r, перпендикулярным и к радиусу r, и к ускорению (фиг. 21.4).
Фиг. 21.4. Поля излучения В и Е колеблющегося диполя.
Все сходится с тем, что получилось бы из формулы (21.1').
Теперь посмотрите (к этому мы не привыкли) на то, что происходит поблизости от заряда. В гл. 14, § 7 (вып. 5) мы вывели закон Био и Савара для магнитного поля элемента тока. Мы нашли, что элемент тока jdV привносит в магнитное поле следующий вклад:
(21.24)
Вы видите, что эта формула с виду очень похожа на первое слагаемое в (21.23), если только вспомнить, что .р — это ток. Но разница все же есть. В (21.23) ток надо подсчитывать в момент (t-r/с), а в (21.24) этого нет. На самом деле, однако, (21.24) для малых r все еще годится, потому что второе слагаемое в (21.23) стремится уничтожить эффект запаздывания из первого слагаемого. Вместе оба они приводят при малых r к результату, очень близкому к (21.24).
В этом можно убедиться следующим образом. Когда r мало, (t-r/с) не очень отличается от t, и в (21.23) скобки можно разложить в ряд Тэйлора. Первый член разложения дает
n в том же порядке по r/с
Если их сложить, члены с ..р уничтожатся и слева останется незапаздывающий ток .р, т. е. .р(t) плюс члены порядка (r/с)2 и выше [например, 1/2(r/с)2...p]. Эти члены при достаточно малых r (малых настолько, что за время r/с ток .р заметно не меняется) будут очень малы.
Стало быть, (21.23) приводит к полям, очень похожим на те, которые дает теория с мгновенным действием, гораздо более похожим на них, чем на поля теории с мгновенным действием и с задержкой; эффекты задержки первого порядка компенсируются вторым членом. Статические формулы очень точны, намного более точны, чем вам могло бы показаться. Конечно, компенсация чувствуется только вблизи от заряда. Для далеких точек эти поправки уже ничего не спасают, потому что временное запаздывание приводит к очень большим эффектам и в конечном счете к важному члену 1/r — к эффекту излучения.
Перед нами все еще стоит задача расчета электрического поля и доказательства того, что оно совпадает с (21.1'). Правда, уже чувствуется, что на больших расстояниях ответ получится такой, как надо. Мы знаем, что вдали от источников, где возникает распространяющаяся волна, Е перпендикулярно к В (и к r), как на фиг. 21.4, и что с В=Е. Значит, Е пропорционально ускорению ..р, как и предсказывалось формулой (21.1').
Чтобы получить электрическое поле на всех возможных расстояниях, нужно найти электростатический потенциал. Когда мы подсчитывали интеграл токов для А, желая получить (21.18), то сделали приближение: мы пренебрегли малозаметным изменением r в члене с запаздыванием. Для электростатического потенциала этого делать нельзя, потому что тогда у нас получилось бы 1/r, умноженное на интеграл от плотности заряда, т. е. на константу. Такое приближение чересчур грубо. Надо обратиться к высшим порядкам. И вместо того, чтобы путаться в этих прямых расчетах высших приближений, можно поступить иначе — определить скалярный потенциал из равенства (21.6), используя уже найденное значение векторного потенциала. Дивергенция А в этом случае просто равна ∂A/∂z, поскольку Ах и Ay тождественно равны нулю. Дифференцируя точно так же, как это делалось выше при вычислении В, получаем
Или в векторных обозначениях
Из равенства (21.6) получается уравнение для φ:
Интегрирование по t просто убирает надо всеми р по одной точке:
(Постоянная интегрирования отвечала бы некому наложенному статическому полю, которое, конечно, может существовать, но мы считаем, что у выбранного нами колеблющегося диполя статического поля нет.) Теперь мы можем из
найти электрическое поле Е. После утомительных (хоть и прямых) выкладок [при этом нужно помнить, что p(t-r/с) и его производные по времени зависят от х, у и z через запаздывание r/с] мы получаем
(21.26)
где
(21.27)
Это выглядит довольно сложно, но интерпретируется просто. Вектор р* — это дипольный момент с запаздыванием и с «поправкой» на запаздывание, так что два члена с р* в (21.26) при малых r дают просто статическое поле диполя [см. гл. 6 (вып. 5), выражение (6.14)]. Когда r велико, то член с р преобладает над остальными, и электрическое поле пропорционально ускорению зарядов в направлении поперек r и само направлено вдоль проекции ..р на плоскость, перпендикулярную к r.
Этот результат согласуется с тем, что мы получили бы, применяя формулу (21.1'). Конечно, эта формула — более общая; она годится для любого движения, а не только для малозаметных движений, для которых запаздывание r/с в пределах всего источника можно считать постоянным [как (21.26)]. Во всяком случае, теперь мы укрепили столбами все наше прежнее изложение свойств света, за исключением лишь некоторых вопросов из гл. 34 (вып. 3), которые связаны с последней частью выражения (21.26). Мы можем теперь перейти к получению поля быстродвижущихся зарядов. Это приведет нас к релятивистским эффектам [гл. 34 (вып. 3)].
§ 5. Потенциалы движущегося заряда; общее решение Льенара и Вихерта
В предыдущем параграфе мы пошли на упрощение при вычислении интеграла для А, рассматривая только небольшие скорости. Но при этом мы шли таким путем, которым легко можно прийти и к новым выводам. Поэтому сейчас мы заново предпримем расчет потенциалов точечного заряда, движущегося уже, как ему захочется (даже с релятивистской скоростью). Как только мы получим этот результат, у нас в руках окажутся электромагнитные свойства электрических зарядов во всей их полноте. Даже формулу (21.1') можно будет тогда легко получить, взяв только нужные производные. И наш рассказ удастся, наконец, довести до конца. Итак, запаситесь терпением!
Попробуем подсчитать в точке (х1, у1, z1) скалярный потенциал φ(1), создаваемый точечным зарядом (вроде электрона), движущимся любым, каким угодно образом. Под «точечным» зарядом подразумевается очень маленький заряженный шарик, такой маленький, как только можно себе представить, с плотностью заряда ρ(х, у, z). Потенциал φ можно найти из (21.15):
(21.28)
На первый взгляд кажется (и почти все так и подумают), что ответ состоит в том, что интеграл от ρ по такому «точечному» заряду равен просто общему заряду q, т. е. что
Через r'12 здесь обозначен радиус-вектор от заряда в точке (2) к точке (1), измеренный в более раннее время (t—r12/c). Эта формула ошибочна.
Правильный ответ такой:
(21.29)
где vr' — компонента скорости заряда, параллельная r12, т. е. направленная к точке (1). Сейчас я объясню, почему это так. Чтобы легче было следить за моими доводами, я сперва проведу расчет для «точечного» заряда в форме небольшого заряженного кубика, который движется к точке (1) со скоростью v (фиг. 21.5).
Фиг. 21.5. «Точечный» заряд (рассматриваемый как небольшое распределение зарядов в форме куба), движущийся со скоростью v к точке (1).
Сторона куба будет а, это число пусть будет много меньше r12 [расстояния от центра заряда до точки (1)].
Чтобы оценить величину интеграла (21.28), мы вернемся к основному определению: запишем его в виде суммы
(21.30)
где ri — расстояние от точки (1) к i-му элементу объема ΔVi, а ρi-— плотность заряда в ΔVi в момент ti=(t-ri/с). Поскольку все ri≫а, удобно будет выбрать все ΔVi в виде тонких прямоугольных ломтиков, перпендикулярных к r12 (фиг. 21.6).
Фиг. 21.6. Элемент объема ΔVi, используемый для вычисления потенциалов.
Предположим, что мы начали с того, что взяли элементы объема ΔVi некоторой толщины w, много меньшей а.
Отдельные элементы объема будут выглядеть так, как показано на фиг. 21.7, а. Их нарисовано гораздо больше, чем нужно, чтобы закрыть весь заряд. А сам заряд не показан, и по весьма существенной причине. Где его нужно нарисовать? Ведь для каждого элемента объема ΔVi надо брать ρ в свой момент ti=(t-ri/с). Но раз заряд движется, то для каждого элемента объема ΔViон окажется в другом месте!
Фиг. 21.7. Интегрирование ρ(t-r'/c)dV для движущегося заряда.
Начнем, скажем, с элемента объема 1 на фиг. 21.7, а, выбранного так, чтобы в момент t1=(t-r1/с) «задняя» грань заряда пришлась на ΔVi (фиг, 21.7, б). Тогда, вычисляя ρ2ΔV2, нужно взять положение заряда в несколько более позднее время t2=(t- r2/c) и заряд к этому времени сместится в положение, показанное на фиг. 21.7, в. Так же будет с ΔV3, ΔV4 и т. д. Вот теперь можно подсчитывать сумму.
Толщина каждого ΔVi равна w, а объем wa2. Поэтому каждый элемент объема, накладывающийся на распределение заряда, содержит в себе заряд wa2ρ, где ρ — плотность заряда внутри куба (мы считаем ее однородной). Когда расстояние от заряда до точки (1) велико, то можно все ri в знаменателях положить равными некоторому среднему значению, скажем, взятому с учетом запаздывания положению r' центра куба. Сумма (21.30) превращается в
где ΔVN—тот последний элемент ΔVi, который еще накладывается на распределение зарядов (см. фиг. 21.7, д). Сумма тем самым равна
Но ρa3 — просто общий заряд q, а Nw—длина b, показанная на фиг. 21.7, д. Получается
(21.31)
А чему же равно b? Это длина куба зарядов, увеличенная на расстояние, пройденное зарядом за время от t1=(t-r1/с) до tN=(t—rN/с). Это расстояние, пройденное зарядом за время
А поскольку скорость заряда равна v, то пройденное расстояние равно vΔt=vb/c. Но длина b — само это расстояние плюс a:
Отсюда
Здесь, конечно, под v подразумевается скорость в «запаздывающий» момент t'=(t-r'/с); это можно указать, записав [1—v/c]зап; тогда уравнение (21.23) для потенциала принимает вид
Это согласуется с тем, что было предположено в (21.29). Появился поправочный множитель. Он появился потому, что в то время, как наш интеграл «проносится над зарядом», сам заряд движется. Когда заряд движется к точке (1), его вклад в интеграл увеличивается в b/а раз. Поэтому правильное значение интеграла равно q/r', умноженному на b/а, т.е. на 1/[1—v/c]зап.
Если скорость заряда направлена не к точке наблюдения (1), то легко видеть, что важна только составляющая его скорости в направлении к точке (1). Если обозначить эту составляющую скорости через vr, то поправочный множитель запишется в виде 1/[1-vr/с]зап. Кроме того, проделанный нами анализ в равной степени проходит для распределения заряда любой формы (это не обязательно должен быть куб). Наконец, поскольку «размер» а заряда не вошел в окончательный итог, то тот же результат получится, если заряд стянется до любых размеров, вплоть до точки. Общий результат состоит в том, что скалярный потенциал точечного заряда, движущегося с произвольной скоростью, равен
(21.32)
Это уравнение часто пишут в эквивалентном виде:
(21.33)
где r — вектор, соединяющий заряд с той точкой (1), в которой вычисляется потенциал φ, а все величины в скобках надо вычислять в «запаздывающий» момент времени t'=(t—r'/c).
То же самое получается и тогда, когда по (21.16) вычисляют А для точечного заряда. Плотность тока равна ρv, а интеграл от ρ — тот же, что и в φ. Векторный потенциал равен
(21.34)
Потенциалы точечного заряда в этой форме были впервые получены Льенаром и Вихертом. Их так и называют: потенциалы Льенара — Вихерта.
Чтобы замкнуть круг и вернуться к формуле (21.1), теперь нужно только подсчитать Е и В из этих потенциалов (при помощи B=∇×A и Е=-∇φ-∂A/∂t). Теперь остается одна арифметика. Впрочем, арифметика эта довольно запутанна, так что мы не будем приводить здесь детали счета. Придется поверить мне на слово, что формула (21.1) эквивалентна выведенным нами потенциалам Льенара — Вихерта[29].
§ 6. Потенциалы заряда, движущегося с постоянной скоростью; формула Лоренца
Применим теперь потенциалы Льенара-Вихерта к случаю заряда, движущегося по прямой с постоянной скоростью, и вычислим поле этого заряда. Позже мы повторим этот вывод, используя уже принцип относительности. Мы знаем величину потенциалов в той системе, в которой заряд покоится. Когда заряд движется, то все получается простым релятивистским преобразованием от одной системы к другой. Но теория относительности ведет свое начало от теории электричества и магнетизма. Формулы преобразований Лоренца [см. гл. 15 (вып. 2)]— это открытия, сделанные Лоренцем при исследовании уравнений электричества и магнетизма. И для того чтобы вы понимали, откуда все пошло, я хочу показать вам, что уравнения Максвелла действительно приводят к преобразованиям Лоренца. Я начну с вычисления потенциала равномерно движущегося заряда прямо из электродинамики, из уравнений Максвелла. Мы уже показали, что уравнения Максвелла приводят к потенциалу, полученному в предыдущем параграфе. Стало быть, пользуясь этими потенциалами, мы используем тем самым теорию Максвелла.
Пусть имеется заряд, движущийся вдоль оси х со скоростью v (фиг. 21.8).
Фиг. 21.8. Определение потенциала в точке Р заряда, движущегося равномерно вдоль оси х.
Нас интересуют потенциалы в точке Р(х, у, z). Если t=0 — момент, в который заряд проходит через начало координат, то в момент t заряд окажется в точке x=vt, y=z=0. А нам нужно знать его положение с учетом запаздывания, т. е. положение в момент
(21.35)
где r' — расстояние от заряда до точки Р в этот запаздывающий момент. В это более раннее время t' заряд был в x=vt', так что
(21.36)
Чтобы найти r' или t', это уравнение надо сопоставить с (21.35). Исключим сперва r', решив (21.35) относительно r' и подставив в (21.36). Возвысив затем обе части в квадрат, получим
т. е. квадратное уравнение относительно t'. Раскрыв скобки и расположив члены по степеням t', получим
Отсюда найдем
(21.37)
Чтобы получить r', надо это t' подставить в
Теперь мы уже можем найти φ из выражения (21.33), имеющего вид
(21.38)
(ввиду того, что v постоянно).
Составляющая v в направлении r' равна v(x-vt')/r', так что v·r' просто равно v(x-vt'), а весь знаменатель равен
Подставляя (1-v2/c2)t' из (21.37), получаем
Это уравнение становится более понятным, если переписать его в виде
(21.39)
Векторный потенциал А — это такое же выражение, но с добавочным множителем v/c2:
В выражении (21.39) со всей ясностью предстает перед вами начало преобразований Лоренца. Если бы заряд находился в начале координат в своей собственной системе покоя, то его потенциал имел бы вид
А мы смотрим на него из движущейся системы координат, и нам кажется, что координаты следует преобразовать с помощью формул
Это обычное преобразование Лоренца. Лоренц вывел его тем же самым способом, каким пользовались и мы.
Но что можно сказать о добавочном множителе 1/√(1-v2/с2), который появился перед дробью в (21.39)? И кроме того, как появляется векторный потенциал А, если он в системе покоя частицы повсюду равен нулю? Мы вскоре покажем, что А и φ вместе составляют четырехвектор, подобно импульсу р и полной энергии U частицы. Добавка 1/√(1—v2/c2) в (21.39)—это тот самый множитель, который появляется всегда, когда преобразуют компоненты четырехвектора, так же как плотность заряда ρ преобразуется в ρ/√(1-v2/c2). Собственно из формул (21.4) и (21.5) почти очевидно, что А и φ суть компоненты одного четырехвектора, потому что в гл. 13 (вып. 5) уже было показано, что j и ρ — компоненты четырехвектора.
Позднее мы более подробно разберем относительность в электродинамике; здесь мы хотели только показать, как естественно уравнения Максвелла приводят к преобразованиям Лоренца. Поэтому не надо удивляться, узнав, что законы электричества и магнетизма уже вполне пригодны и для теории относительности Эйнштейна. Их не нужно даже как-то особо подгонять, как это приходилось делать с ньютоновой механикой.