Повторить: гл. 15 (вып. 2) «Специальная теория относительности»; гл. 16 (вып. 2) «Релятивистская энергия и импульс»; гл. 17 (вып. 2) «Пространство-время»; гл. 13 (вып. 5) «Магнитостатика»
§ 1. Четырехвекторы
В этой главе мы рассмотрим применение специальной теории относительности к электродинамике. Мы изучали теорию относительности довольно давно (гл. 15—17, вып. 2), поэтому я здесь коротко напомню основные идеи.
Экспериментально установлено, что законы физики при равномерном движении не изменяются. Если вы находитесь внутри звездолета, летящего с постоянной скоростью по прямой линии, то не можете установить самого факта движения корабля: для этого надо выглянуть наружу или по крайней мере провести какие-то наблюдения, связанные с внешним миром. Любой написанный нами истинный закон физики должен быть сформулирован так, чтобы этот факт природы был «встроен» в него.
Соотношение между пространством и временем в двух системах координат (одна из которых S' равномерно движется относительно другой S в направлении оси х со скоростью v) определяется преобразованиями Лоренца:
(25.1)
Законы физики должны быть таковы, чтобы после преобразований Лоренца они в новой форме выглядели абсолютно так же, как и раньше. Это в точности напоминает принцип независимости законов физики от ориентации нашей системы координат. В гл. 11 (вып. 1) мы видели, что способом математического описания этой инвариантности относительно вращения является запись уравнений в векторном виде.
Там мы обнаружили, что если, скажем, взять два вектора
то комбинация
при повороте системы координат не меняется. Таким образом, если с обеих сторон уравнения мы видим скалярное произведение, подобное А·В, то уравнение будет иметь в точности ту же форму в любой повернутой системе координат. Кроме того, мы открыли оператор (см. гл. 2)
который, будучи применен к скалярной функции, дает три величины, преобразующиеся в точности как вектор. С помощью этого оператора был определен градиент, а в комбинации с другими векторами — дивергенция и лапласиан. И, наконец, мы обнаружили, что, составляя суммы некоторых попарных произведений компонент двух векторов, можно получить три величины, которые ведут себя подобно новому вектору. Мы назвали это векторным произведением двух векторов. Используя затем векторное произведение с оператором ∇, мы определили ротор вектора. В дальнейшем нам часто придется ссылаться на то, что было нами сделано в векторном анализе, поэтому все важнейшие векторные операции в трехмерном пространстве, которые использовались в прошлом, мы собрали в табл. 25.1.
Таблица 25.1. ВАЖНЕЙШИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ОПЕРАТОРЫ ТРЕХМЕРНОГО ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
Пользуясь ею, можно так записать любое уравнение физики, что обе его части преобразуются при вращениях одинаковым образом. Если одна его часть — вектор, то вектором должна быть и другая часть, и обе они при вращении системы координат изменяются в точности одинаково. Аналогично, если одна часть скаляр, то скаляром должна быть и другая часть, так что ни та, ни другая не изменяется при вращении системы координат и т. д.
В теории относительности пространство и время неразделимо связаны друг с другом, поэтому то же самое придется проделать и для четырех измерений. Мы хотим, чтобы наши уравнения оставались неизменными не только при вращениях, но и при переходе в любую инерциальную систему. Это означает, что наши уравнения должны быть инвариантными относительно преобразований Лоренца (25.1). Цель настоящей главы — показать, как этого можно добиться. Но прежде чем начать, примем соглашение, которое значительно облегчит нашу работу (и к тому же поможет избежать путаницы). Заключается оно в таком выборе единиц измерения длины и времени, чтобы скорость света с оказалась равной единице. Вы можете считать, например, что в качестве единицы времени взят интервал, за который свет проходит отрезок в один метр (это составляет около 3·10-9сек). Можно даже так и назвать эту единицу времени: «один световой метр». Использование этой единицы еще ярче оттеняет симметрию пространства и времени. Кроме того, из наших релятивистских уравнений исчезнут все с. (Если это почему-либо вас смущает, то вы можете в любом уравнении восстановить их или заменить каждое t на ct, а еще лучше вставить с повсюду, где это необходимо для правильной размерности уравнения.) Теперь, после такой подготовки, мы можем двинуться дальше.
Наша программа состоит в том, чтобы повторить в четырехмерном пространстве-времени все то, что мы делали с векторами в трех измерениях. Дело это нехитрое — мы просто будем действовать аналогично. Единственное затруднение встретится только при обозначениях (символ вектора у нас уже занят трехмерными векторами), и несколько изменятся знаки в скалярном произведении.
Прежде всего, по аналогии с векторами в трехмерном пространстве, введем четырехвектор как набор четырех величин at, ах, ау и аz, которые при переходе в движущуюся систему координат преобразуются подобно t, x, у и z. Для обозначения четырехвектора используется несколько различных способов. Мы же будем писать просто аμ, понимая под этим группу четырех величин (at, ax, ay, az); другими словами, значок μ принимает какое-либо из четырех «значений»: t, x, у и z. Иногда нам будет удобно обозначать три пространственные компоненты в виде трехмерного вектора, т. е. писать aμ=(at, а).
Мы уже сталкивались с одним таким четырехвектором, состоящим из энергии и импульса частицы (см. гл. 17, вып. 2). В наших новых обозначениях он запишется так:
(25.2)
т. е. четырехвектор pμ состоит из энергии Е и трех компонент трехмерного импульса частицы р.
Похоже, что игра действительно оказывается нехитрой: единственное, что мы должны сделать,— это найти для каждого трехмерного вектора недостающую компоненту и получить четырехвектор. Однако все же эта задача потруднее, чем кажется на первый взгляд. Возьмем, например, вектор скорости с компонентами
Что будет его временной компонентой? Инстинкт подсказывает нам, что поскольку четырехвектор подобен t, x, у, z, то временной компонентой как будто должно быть
Но это неверно. Дело в том, что время t в каждом знаменателе не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Числитель имеет правильное поведение, а dt в знаменателе портит все дело: оно не одинаково в двух различных системах.
Оказывается, что четыре компоненты «скорости», которые нам нужно выписать, превратятся в компоненты четырехвектора, если мы попросту поделим их на √(1-v2). В правильности этого можно убедиться, взяв четырехвектор импульса
(25.3)
и поделив его на массу покоя, которая в четырехмерном пространстве является скаляром. Мы получим при этом
(25.4)
что по-прежнему должно быть четырехвектором. (Деление на скаляр не изменяет трансформационных свойств.) Так что четырехвектор скорости uμ можно определить так:
(25.5)
Это очень полезная величина; мы можем теперь написать, например,
(25.6)
Таков типичный вид, который должен иметь правильное релятивистское уравнение: каждая сторона его должна быть четырехвектором. (В правой части стоит произведение инварианта на четырехвектор, которое по-прежнему есть четырехвектор.)
§ 2. Скалярное произведение
То, что расстояние от некоторой точки до начала координат не изменяется при повороте, если хотите,— счастливая случайность. Математически это означает, что r2=x2+y2+z2 является инвариантом. Другими словами, после поворота r'2=r2 или
Возникает вопрос: существует ли подобная величина, которая инвариантна при преобразованиях Лоренца? Да, существует. Из (25.1) вы видите, что
Она была бы всем хороша, если бы только не зависела от нашего выбора оси х. Но этот недостаток легко исправить вычитанием y2 и z2. Тогда преобразование Лоренца плюс вращение оставляют ее неизменной. Таким образом, роль величины, аналогичной трехмерному r2 в четырехмерном пространстве, играет комбинация
Она является инвариантом так называемой «полной группы Лоренца», которая включает как перемещения с постоянной скоростью, так и повороты.
Далее, поскольку эта инвариантность представляет собой алгебраическое свойство, зависящее только от правил преобразования (25.1) плюс вращение, то она справедлива для любого четырехвектора. (Все они, по определению, преобразуются одинаковым образом.) Так что для любого четырехвектора aμ
Эту величину мы будем называть квадратом «длины» четырехвектора аμ. (Будьте внимательны! Иногда берут обратные знаки у всех слагаемых и квадратом длины называют число ax2+ay2+az2-at2.)
Если теперь у нас есть два вектора аμ и bμ, то их одноименные компоненты преобразуются одинаково, поэтому комбинация
также будет инвариантной (скалярной) величиной. (Фактически мы доказали это уже в гл. 17, вып. 2.) Получилась величина, совершенно аналогичная скалярному произведению векторов. Мы так и будем называть ее скалярным произведением двух четырехвекторов. Логично, казалось бы, и записывать его аμ·bμ, чтобы оно даже выглядело похожим на скалярное произведение. Но обычно, к сожалению, так не делают и пишут его без точки.
И мы тоже будем придерживаться этого порядка и записывать скалярное произведение просто aμbμ. Итак, по определению,
(25.7)
Помните, что повсюду, где вы видите два одинаковых значка (вместо μ мы иногда будем пользоваться v или другими буквами), необходимо взять четыре произведения и сложить их, не забывая при этом о знаке минус перед произведениями пространственных компонент. С учетом такого соглашения инвариантность скалярного произведения при преобразованиях Лоренца можно записать как
Поскольку последние три слагаемых в формуле (25.7) представляют просто трехмерное скалярное произведение, то часто удобнее принять такую запись:
Очевидно, что введенную выше четырехмерную длину можно записать как аμаμ:
(25.8)
Но иногда удобно эту величину записать как аμ2:
Продемонстрируем теперь плодотворность четырехмерного скалярного произведения. Антипротоны (—р) получают на больших ускорителях из реакции
Иначе говоря, высокоэнергетический протон сталкивается с покоящимся протоном (например, с помещенной в пучок водородной мишенью), и если падающий протон обладает достаточной энергией, то вдобавок к двум первоначальным протонам может родиться пара протон—антипротон[32].
Какой энергией должен обладать падающий протон, чтобы эта реакция стала энергетически возможной?
Фиг. 25.1. Реакция р+p → Зр+—р в лабораторной системе и системе ц. м. Предполагается, что энергия падающего протона как раз достаточна для протекания реакции. Протоны обозначены черными кружочками, а антипротоны —белыми.
Ответ легче всего получить, рассмотрев эту реакцию в системе центра масс (ц. м.) (фиг. 25.1). Назовем падающий протон протоном а, а его четырехимпульс обозначим через рμa. Аналогично, протон мишени назовем b, а его четырехимпульс обозначим через рμb. Если энергии падающего протона как раз достаточно для реакции, то в конечном состоянии (т. е. в состоянии после соударения) образуется система, содержащая три протона и антипротон, покоящиеся в системе ц. м. Если энергия падающего протона будет несколько выше, то частицы в конечном состоянии вылетят с некоторой кинетической энергией и будут разлетаться в стороны; если же она немного ниже, то ее будет недостаточно для образования четырех частиц.
Пусть рμс — полный четырехимпульс всей системы в конечном состоянии, тогда, согласно закону сохранения энергии и импульса,
и
а комбинируя эти два выражения, можно написать
(25.9)
Теперь еще одно важное обстоятельство: поскольку мы получили уравнение для четырехвекторов, то оно должно выполняться в любой инерциальной системе. Этим фактом можно воспользоваться для упрощения вычислений. Напишем длины каждой из частей (25.9), которые, разумеется, тоже должны быть равны друг другу, т. е.
(25.10)
Так как рμсрμс — инвариант, то можно вычислить его в какой-то одной системе координат. В системе ц. м. временная компонента рμс равна энергии покоя четырех протонов, т. е. 4М, а пространственная часть р равна нулю, так что рμс=(4М, 0). При этом мы воспользовались равенством масс протона и антипротона, обозначив их одной буквой М.
Таким образом, уравнение (25.10) принимает вид
(25.11)
Произведения рμарμа и pμbpμb, вычисляются очень быстро: «длина» четырехвектора импульса любой частицы равна просто квадрату ее массы:
Это можно доказать прямыми вычислениями или, несколько более эффектно, простым замечанием, что в системе покоя частицы рμ=(М, 0), а следовательно, рμрμ=М2. А так как это инвариант, то он равен М2 в любой системе отсчета. Подставляя результаты в уравнение (25.11), мы получаем
или
(25.12)
Теперь можно вычислить рμарμb в лабораторной системе. В этой системе четырехвектор рμа=(Еа, ра), а рμb=(М, 0), ибо он описывает покоящийся протон. Итак, рμарμb должно быть равно МЕа, а мы знаем, что скалярное произведение — это инвариант, поэтому оно должно быть равно значению, найденному нами в (25.12). В результате получается
Полная энергия падающего протона должна быть по меньшей мере равна 7М (что составляет около 6,6 Гэв, так как М=938 Мэв) или после вычитания массы покоя М получаем, что кинетическая энергия должна быть равна по меньшей мере 6М (около 5,6 Гэв). Именно с тем, чтобы иметь возможность производить антипротоны, бетатрон в Беркли проектировался на кинетическую энергию ускоренных протонов около 6.2 Гэв.
Скалярное произведение — инвариант, поэтому полезно знать его величину. Что, например, можно сказать о «длине» четырехвектора скорости uμuμ?
т. е. uμ — единичный четырехвектор.
§ 3. Четырехмерный градиент
Следующей величиной, которую нам следует обсудить, является четырехмерный аналог градиента. Напомним (см. гл. 14, вып. 1), что три оператора дифференцирования ∂/∂x, ∂/∂y, ∂/∂z преобразуются подобно трехмерному вектору и называются градиентом. Та же схема должна работать и в четырех измерениях; по простоте вы можете подумать, что четырехмерным градиентом должны быть (∂/∂t, ∂/∂x, ∂/∂y ∂/∂z), но это неверно.
Чтобы обнаружить ошибку, рассмотрим скалярную функцию, которая зависит только от х и t. Приращение φ при малом изменении t на Δt и постоянном х равно
(25.13)
С другой стороны, с точки зрения движущегося наблюдателя
Используя уравнение (25.1), мы можем выразить Δх' и Δt' через Δt. Вспоминая теперь, что величина х постоянна, так что Δx=0, мы пишем
Таким образом,
Сравнивая этот результат с (25.13), мы узнаем, что
(25.14)
Аналогичные вычисления дают
(25.15)
Теперь вы видите, что градиент получился довольно странным. Выражения для х и t через х' и t' [полученные решением уравнений (25.1)] имеют вид
Именно так должен преобразовываться четырехвектор. Но в уравнениях (25.14) и (25.15) знаки получились неправильными! Выход в том, что надо заменить неправильное определение четырехмерного оператора градиента (∂/∂t,∇) правильным:
(25.16)
Мы его обозначим ∇μ. Для такого ∇μ трудности исчезают, и он ведет себя так, как подобает настоящему четырехвектору. (Ужасно неприятно наличие минусов, но так уж устроено в мире.) Разумеется, говоря, что ∇μ «ведет себя как четырехвектор», мы подразумеваем, что четырехмерный градиент скалярной функции есть четырехвектор. Если φ — настоящее скалярное (лоренц-инвариантное) поле, то ∇μφ будет четырехвекторным полем.
Итак, все уладилось. Теперь у нас есть векторы, градиенты и скалярное произведение. Следующий на очереди — инвариант, аналогичный дивергенции в трехмерном векторном анализе. Ясно, что аналогом его должно быть выражение ∇μbμ, где bμ — векторное поле, компоненты которого являются функциями пространства и времени. Мы определим дивергенцию четырехвектора bμ=(bt, b) как скалярное произведение ∇μ на bμ:
(25.17)
где ∇·b — обычная трехмерная дивергенция вектора b. Не забывайте внимательно следить за знаками. Один знак минус связан с определением скалярного произведения [формула (25.7)], а другой возникает от пространственных компонент ∇μ [формула (25.16)]. Дивергенция, определяемая формулой (25.7), есть инвариант, и для всех систем координат, отличающихся друг от друга преобразованием Лоренца, применение ее приводит к одинаковой величине.
Остановимся теперь на физическом примере, в котором появляется четырехмерная дивергенция. Ею можно воспользоваться при решении задачи о полях вокруг движущегося проводника. Мы уже видели (гл. 13, § 7, вып. 5), что плотность электрического заряда ρ и плотность тока j образуют четырехвектор jμ=(p, j). Если незаряженный провод переносит ток jx, то в системе отсчета, движущейся относительно него со скоростью v (вдоль оси х), в проводнике наряду с током появится и заряд [который возникает согласно закону преобразований Лоренца (25.1)]:
Но это как раз то, что мы нашли в гл. 13. Теперь нужно подставить эти источники в уравнение Максвелла в движущейся системе и найти поля.
Закон сохранения заряда в четырехмерных обозначениях тоже принимает очень простой вид. Рассмотрим четырехмерную дивергенцию вектора jμ :
(25.18)
Закон сохранения заряда утверждает, что утекание тока из единицы объема должно быть равно отрицательной скорости увеличения плотности заряда. Иными словами,
Подставляя это в (25.18), получаем очень простую форму закона сохранения заряда:
(25.19)
Благодаря тому что ∇μjμ — инвариант, равенство его нулю в одной системе отсчета означает равенство нулю и во всех других. Таким образом, если заряд сохраняется в одной системе, он будет сохраняться и во всех других системах координат, движущихся относительно нее с постоянной скоростью.
В качестве последнего примера рассмотрим скалярное произведение оператора градиента ∇μ на себя. В трехмерном пространстве такое произведение дает лапласиан
Что получится для четырех измерений? Вычислить это очень просто. Следуя нашему правилу скалярного произведения, находим
Этот оператор, представляющий аналог трехмерного лапласиана, называется даламбертианом и обозначается специальным символом
(25.20)
По построению он является скалярным оператором, т. е., если подействовать им, скажем, на четырехвекторное поле, возникает новое четырехвекторное поле. [Иногда даламбертиан определяется с противоположным по отношению к (25.20) знаком, так что при чтении литературы будьте внимательны!]
Итак, для большинства величин, перечисленных нами в табл. 25.1, мы нашли их четырехмерные эквиваленты. (У нас еще нет эквивалента векторного произведения, но его нахождение мы оставим до следующей главы.) А теперь соберем в одно место все важнейшие результаты и определения и составим еще одну таблицу (табл. 25.2); она поможет вам лучше запомнить, что во что переходит.
§ 4. Электродинамика в четырехмерных обозначениях
В гл. 18, § 6, мы уже сталкивались с оператором Даламбера, хотя и не знали, что он так называется. Мы нашли там дифференциальное уравнение для потенциалов, которое в новых обозначениях выглядит так:
(25.21)
С правой стороны (25.21) стоят четыре величины ρ, jx, j, jz, поделенные на ε0 — универсальную постоянную, одинаковую во всех системах координат, если во всех системах для измерения заряда используется одна и та же единица. Таким образом, четыре величины ρ/jе0, jх/ε0, jy/ε0, jz/ε0 тоже преобразуются как четырехвектор. Их можно записать в виде jμs/е0. Оператор Даламбера не изменяется при переходе к другим системам координат, так что четыре величины φ, Ах, Ау и Azтоже должны преобразоваться как четырехвектор, т. е. должны быть компонентами четырехвектора. Короче говоря, величина
есть четырехвектор. То, что мы называли скалярным и векторным потенциалами, оказывается только разными частями от одной и той же физической величины. Они неотделимы друг от друга. А если это так, то релятивистская инвариантность мира очевидна. Вектор Аμ мы называем четырехмерным потенциалом (4-потенциалом).
В четырехмерных обозначениях (25.21) приобретает очень простой вид:
(25.22)
Физика этого уравнения та же, что и уравнений Максвелла. Но есть своя прелесть в том, что можно переписывать их в столь элегантной форме. Впрочем, эта красивая форма содержит и кое-что более значительное — из нее непосредственно видна инвариантность электродинамики относительно преобразований Лоренца.
Напомним, что уравнение (25.21) можно получить из уравнений Максвелла только тогда, когда наложено дополнительное условие градиентной инвариантности:
(25.23)
что означает просто ∇μAμ=0, т. е. условие градиентной инвариантности говорит, что дивергенция четырехмерного вектора Аμ равна нулю. Это требование носит название условия Лоренца. Такая форма его записи очень удобна, ибо она инвариантна, а поэтому уравнения Максвелла во всех системах отсчета сохраняют вид (25.22).
§ 5. Четырехмерный потенциал движущегося заряда
Теперь выпишем законы преобразования, выражающие φ и А в движущейся системе через φ и А в неподвижной, хотя неявно мы уже говорили о них. Поскольку Аμ=(φ, А) является четырехвектором, это уравнение должно выглядеть подобно (25.1), за исключением того, что t нужно заменить на φ, а x — на А. Таким образом,
(25.24)
При этом предполагается, что штрихованная система координат движется по отношению к нештрихованной со скоростью v в направлении оси х.
Рассмотрим один пример плодотворности идеи 4-потенциала. Чему равны векторный и скалярный потенциалы заряда q, движущегося со скоростью v в направлении оси х? Задача очень упрощается в системе координат, движущейся вместе с зарядом, ибо в этой системе заряд покоится. Пусть заряд находится в начале координат системы S', как это показано на фиг. 25.2.
Фиг. 25.2. Система отсчета S' движется со скоростью v (в направлении оси х) по отношению к системе S. Заряд, покоящийся в начале системы координат S', находится в системе S в точке x=vt. Потенциалы в точке Р могут быть найдены для любой системы отсчета.
Скалярный потенциал в движущейся системе задается выражением
(25.25)
причем r' — расстояние от заряда q до точки в движущейся системе, где производится измерение поля. Векторный же потенциал А', разумеется, равен нулю.
Теперь без особых хитростей можно найти потенциалы φ и А в неподвижной системе координат. Соотношениями, обратными к уравнениям (25.24), будут
(25.26)
Используя далее выражение для φ'[см. (25.25)] и равенство А'=0, получаем
Эта формула дает нам скалярный потенциал φ, который мы увидели бы в системе S, но он, к сожалению, записан через координаты штрихованной системы. Впрочем, это дело легко поправимо; с помощью (25.1) можно выразить t', х', у', z' через t, x, у, z и получить
(25.27)
Повторяя ту же процедуру для вектора А, вы можете показать, что
(25.28)
Это те же самые формулы, которые мы вывели в гл. 21, но там они были получены другим методом.
§ 6. Инвариантность уравнений электродинамики
Итак, потенциалы φ и А, оказывается, образуют в совокупности четырехвектор, который мы обозначили через Аμ, а волновое уравнение (полное уравнение, выражающее Аμ через jμ) можно записать в виде (25.22). Это уравнение вместе с сохранением заряда (25.19) составляют фундаментальный закон электромагнитного поля:
(25.29)
И вот, пожалуйста, все уравнения Максвелла просто и красиво записываются всего в одной строке. Достигли ли мы чего-нибудь, записав их в таком виде, кроме, разумеется, красоты и простоты? Прежде всего, есть ли здесь какое-нибудь отличие от того, что было раньше, когда мы выписывали их во всем разнообразии компонент? Можно ли из этих уравнений получить нечто, чего нельзя получить из волновых уравнений для потенциалов, содержащих заряды и токи? Ответ вполне определенный — конечно, нельзя. Единственное, что мы сделали — это изменили названия, т. е. использовали новые обозначения. Мы нарисовали квадратик для обозначения производных, но это по-прежнему не более и не менее как вторая производная по t минус вторая производная по х, минус вторая производная по у, минус вторая производная по z. А значок μ, говорит, что у нас есть четыре уравнения, по одному для каждого из значений μ=t, х, у или z. Какой же тогда смысл того, что уравнения можно записать в столь простой форме? С точки зрения получения чего-то нового — никакого. Хотя, возможно, простота уравнений и выражает определенную простоту природы. Сейчас я покажу вам нечто интересное, чему мы понемногу научились. Можно сказать, что все законы физики описываются одним уравнением:
(25.30)
Не правда ли, удивительно простое уравнение! Конечно, нужно еще знать, что обозначает символ ⋃. Это физическая величина, которую мы будем называть «несообразностью»[33] ситуации. У нас даже есть для нее формула. Вот как вычисляется эта несообразность: вы берете все физические законы и записываете их в особой форме. Например, вы взяли закон механики F=ma и записали его в виде F-ma=0.
Теперь вы можете величину (F-mа), которая, разумеется, в нашем мире должна быть нулем, назвать «несообразностью» механики. Затем вы берете квадрат этой несообразности, обозначаете его через ⋃1 и называете ее «механической несообразностью». Другими словами, вы берете
(25.31)
потом выписываете второй физический закон, скажем ∇·Е=ρ/ε0, и определяете
который можно назвать «гауссовой электрической несообразностью». Продолжая этот процесс, вы можете ввести ⋃3, ⋃4 и т. д. для каждого из физических законов.
Наконец, полной несообразностью мира ⋃ вы называете сумму ⋃i для каждого из различных явлений, т. е. ⋃=2∑i⋃i.
И тогда «великий закон природы» гласит:
(25.32)
Этот «закон», разумеется, утверждает лишь, что сумма квадратов всех отдельных отклонений равна нулю, однако единственный способ сделать сумму квадратов множества членов равной нулю — это приравнять нулю каждое из ее слагаемых.
Таким образом, «удивительно простой закон» (25.32) эквивалентен целому ряду уравнений, которые вы писали первоначально. Поэтому совершенно очевидно, что простые обозначения, скрывающие сложности за определением символов,— это еще не истинная простота. Это только трюк. Так и в выражении (25.32) за кажущейся простотой скрывается несколько уравнений; это снова не более чем трюк. Развернув их, вы снова получите то, что было раньше.
Однако закон электродинамики, написанный в форме уравнения (25.29), содержит нечто большее, чем простую запись; в векторном анализе, кроме простоты записи, также есть нечто большее. Тот факт, что уравнения электромагнетизма можно записать в особых обозначениях, которые специально приспособлены для четырехмерной геометрии преобразований Лоренца, иначе говоря, как векторные уравнения в четырехмерном мире, означает, что они инвариантны относительно преобразований Лоренца. Именно потому, что уравнения Максвелла инвариантны относительно этих преобразований, их можно записать в столь красивом виде.
В том, что законы электродинамики можно записать в форме элегантного уравнения (25.29), нет ничего случайного. Теория относительности была развита именно потому, что экспериментально подтвердилась неизменность предсказанных уравнением Максвелла явлений в любой инерциальной системе. Именно при изучении трансформационных свойств уравнений Максвелла Лоренц открыл свои преобразования как преобразования, оставляющие инвариантными эти уравнения.
Однако есть и другая причина записывать уравнения в таком виде. Было обнаружено, что все законы физики должны быть инвариантными относительно преобразований Лоренца (первый об этом догадался Эйнштейн). Таково содержание принципа относительности. Поэтому если вы изобрели обозначения, которые сразу же показывают, инвариантен ли выписанный нами закон, то можно гарантировать, что при попытке создать новую теорию вы будете писать только уравнения, согласующиеся с принципом относительности.
В простоте уравнений Максвелла в этих частных обозначениях никакого чуда нет. Обозначения специально были придуманы именно для них. Самая интересная с физической точки зрения вещь состоит в том, что любой физический закон (будь то распространение мезонных волн, или поведение нейтрино в β-распаде, или что-то другое) должен иметь ту же самую инвариантность относительно тех же преобразований. Так что если ваш звездолет движется с постоянной скоростью, то все законы природы вместе преобразуются так, что никаких новых явлений не возникает. Именно благодаря тому, что принцип относительности является законом природы, уравнения нашего мира в четырехмерных обозначениях должны выглядеть гораздо проще.