マクスウェル方程式の低速極限

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本ページでは…

 本ページでは、ガリレイ変換に加えて次のような電場·磁場の変換

\begin{align}E_x &= E’_x\\E_y &= E’_y + v\mu_0 H’_z \\
E_z&= E’_z{}- v\mu_0 H’_y\\H_x &= H’_x\\
H_y &= H’_y -v \varepsilon_0 E’_z \\
H_z &= H’_z + v\varepsilon_0 E’_y
\end{align}

を行うことで、慣性系同士の相対速度\(v\)が光速度\(c\)と比べて十分小さい低速極限

\begin{align*}\frac{v}{c}\simeq0\end{align*}

で、マクスウェル方程式の形が不変となることを見る。

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前ページまで⋯

 前ページでは、マイケルソン-モーリーの実験原理、理論的予想、そして物理学の歴史を変えた実験結果について解説した。19世紀末、多くの物理学者は、光が伝わるためには媒質「エーテル」が必要であると考えており、もし地球がそのエーテル中を運動しているなら、地球上ではエーテル風が観測されるはずであった。マイケルソン-モーリーは、この効果を干渉計によって直接検出しようとした。

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内容

マイケルソン・モーリーの実験の結果

前ページで述べたように、実際にマイケルソン-モーリーの実験を行なった結果、干渉縞のずれは全く観測されなかった。この結果は、光の速度が方向によらず一定であることを示唆し、電磁波の媒質であるエーテルの存在に強い疑問を投げかけるものであった。

 電磁波が媒質に対して伝播すると考えるヘルツ方程式(以前のページを参照)では、観測者の運動状態によって光の速度が変化することが予測される。そのため、このマイケルソン–モーリーの実験の結果から、ヘルツ方程式の妥当性には疑問が生じた。

 一方で、電磁波の媒質を考えないマクスウェル方程式の方が正しそうにも思えるが、ガリレイ変換の下ではその形が保たれないという問題がマクスウェル方程式にもあった(以前のページを参照)。このため、マクスウェル方程式の形を保ちつつ実験結果を説明するためには、従来のガリレイ変換そのものを見直す必要があると考えられるようになった。

マクスウェル方程式の低速極限

 以後、マクスウェル方程式を成分ごとに見ていく必要があるため、4つの式からなるマクスウェル方程式

\begin{align*}\boldsymbol \nabla \cdot\boldsymbol H(\boldsymbol x,t)&=0\tag{1}\\\boldsymbol\nabla×\boldsymbol E(\boldsymbol x,t)&=-\mu_0\frac{\partial }{\partial t}\boldsymbol H(\boldsymbol x,t)\tag{2}\\\boldsymbol\nabla\cdot\boldsymbol E(\boldsymbol x,t)&=0\tag{3}\\\boldsymbol\nabla×\boldsymbol H(\boldsymbol x,t)&=\epsilon_0\frac{\partial }{\partial t}\boldsymbol E(\boldsymbol x,t)\tag{4}\end{align*}

を成分ごと

\begin{align}
\frac{\partial H_x}{\partial x}
+\frac{\partial H_y}{\partial y}
+\frac{\partial H_z}{\partial z}
&=0\tag{A}\\
\frac{\partial E_x}{\partial x}
+\frac{\partial E_y}{\partial y}
+\frac{\partial E_z}{\partial z}
&=0\tag{B}\\
\frac{\partial E_z}{\partial y}
-\frac{\partial E_y}{\partial z}
&=-\mu_0\frac{\partial H_x}{\partial t}\tag{C}\\
\frac{\partial E_x}{\partial z}
-\frac{\partial E_z}{\partial x}
&=-\mu_0\frac{\partial H_y}{\partial t}\tag{D}\\
\frac{\partial E_y}{\partial x}
-\frac{\partial E_x}{\partial y}
&=-\mu_0\frac{\partial H_z}{\partial t}\tag{E}\\
\frac{\partial H_z}{\partial y}
-\frac{\partial H_y}{\partial z}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_x}{\partial t}\tag{F}\\
\frac{\partial H_x}{\partial z}
-\frac{\partial H_z}{\partial x}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_y}{\partial t}\tag{G}\\
\frac{\partial H_y}{\partial x}
-\frac{\partial H_x}{\partial y}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_z}{\partial t}\tag{H}
\end{align}

に表す。

以前のページで見たように、マクスウェル方程式の形はガリレイ変換(電場·磁場は変わらないとする)

\begin{align}\frac{\partial}{\partial x}&=\frac{\partial}{\partial x'{}’}\\\frac{\partial}{\partial y}&=\frac{\partial}{\partial y'{}’}\\\frac{\partial}{\partial z}&=\frac{\partial}{\partial z'{}’}\\\frac{\partial}{\partial t}&=\frac{\partial}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial}{\partial x'{}’}\\\boldsymbol E&=\boldsymbol E'{}’\\\boldsymbol H&=\boldsymbol H'{}’
\end{align}

の下で次の形

\begin{align}
\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
+\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial y'{}’}
+\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial z'{}’}
&=0\tag{A$'{}’$}\\
\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
+\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial y'{}’}
+\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial z'{}’}
&=0\tag{B$'{}’$}\\
\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial y'{}’}
-\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial z'{}’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
\right)\tag{C$'{}’$}\\
\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial z'{}’}
-\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial x'{}’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial x'{}’}
\right)\tag{D$'{}’$}\\
\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial x'{}’}
-\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial y'{}’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial x'{}’}
\right)\tag{E$'{}’$}\\
\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial y'{}’}
-\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial z'{}’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
\right)\tag{F$'{}’$}\\
\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial z'{}’}
-\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial x'{}’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial x'{}’}
\right)\tag{G$'{}’$}\\
\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial x'{}’}
-\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial y'{}’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial x'{}’}
\right)\tag{H$'{}’$}
\end{align}

となり不変ではなかった。しかし、変換後の式は元の式とかけ離れた全く別の形になっているわけではなく、ガリレイ変換

\begin{align}\frac{\partial}{\partial x}&=\frac{\partial}{\partial x’}\\\frac{\partial}{\partial y}&=\frac{\partial}{\partial y’}\\\frac{\partial}{\partial z}&=\frac{\partial}{\partial z’}\\\frac{\partial}{\partial t}&=\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}
\end{align}

に加えて電場·磁場にも次の変換

\begin{align}E_x &= E’_x\\E_y &= E’_y + v\mu_0 H’_z \\
E_z&= E’_z{}- v\mu_0 H’_y\\H_x &= H’_x\\
H_y &= H’_y -v \varepsilon_0 E’_z \\
H_z &= H’_z + v\varepsilon_0 E’_y
\end{align}

を施すことで、慣性系同士の相対速度\(v\)が光速度\(c\)と比べて十分小さい低速極限

\begin{align*}\frac{v}{c}\simeq0\end{align*}

の下ではマクスウェル方程式の形を

\begin{align}
\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}
&=0\tag{A$’$}\\
\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}
&=0\tag{B$’$}\\
\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{C$’$}\\
\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial E’_z}{\partial x’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}\tag{D$’$}\\
\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}\tag{E$’$}\\
\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}\tag{F$’$}\\
\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial H’_z}{\partial x’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}\tag{G$’$}\\
\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}\tag{H$’$}
\end{align}

のように不変に保つことができる。まずは、このことを確かめて、次ページからこの変換則をより正確なものへと発展させていく。

 はじめに、ファラデー-マクスウェルの式とアンペール-マクスウェルの式の\(x\)成分の形

\begin{align*}\frac{\partial E_z}{\partial y}
-\frac{\partial E_y}{\partial z}
&=-\mu_0
\frac{\partial H_x}{\partial t}\tag{C}\\\frac{\partial H_z}{\partial y}
-\frac{\partial H_y}{\partial z}
&=\varepsilon_0
\frac{\partial E_x}{\partial t}\tag{F}\end{align*}

が変換によって不変

\begin{align*}\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{C$’$}\\\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}\tag{F$’$}\end{align*}

となるとき、ガリレイ変換に加えて電場·磁場をどのように変換すればよいかを調べてみる。そのような変換を行なったとき、式(\(\text C’\)),(\(\text F’\))の形は電場·磁場を変換せずにガリレイ変換のみ行なった式(\(\text C'{}’\)),(\(\text F'{}’\))の形

\begin{align*}\frac{\partial E'{}'{}_z}{\partial y'{}’}
-\frac{\partial E'{}'{}_y}{\partial z'{}’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
\right)\tag{C$'{}’$}\\\frac{\partial H'{}'{}_z}{\partial y'{}’}
-\frac{\partial H'{}'{}_y}{\partial z'{}’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial t'{}’}-v\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial x'{}’}
\right)\tag{F$'{}’$}\end{align*}

に近くなるはずである。そのため、式(\(\text C'{}’\)),(\(\text F'{}’\))に現れた余分な項\(v\mu_0\frac{\partial H'{}'{}_x}{\partial x'{}’}\),\(-v\varepsilon_0\frac{\partial E'{}'{}_x}{\partial x'{}’}\)と同じ形の\(v\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial x’}\),\(-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial x’}\)を式(\(\text C’\)),(\(\text F’\))の両辺に足すと

\begin{align*}\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}+v\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}-v\frac{\partial H’_x}{\partial x’}\right)\\\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}-v\frac{\partial E_x}{\partial x’}
\right)\end{align*}

となり、磁束密度の式とマクスウェル-ガウスの式

\begin{align*}\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}
&=0\tag{A$’$}\\\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}
&=0\tag{B$’$}\end{align*}

を用いると

\begin{align*}\frac{\partial }{\partial y’}(E’_z- v\mu_0H’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(E’_y+v\mu_0H’_z )
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}-v\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
\right)\tag{C$'{}'{}’$}\\\frac{\partial }{\partial y’}(H’_z+v\varepsilon_0E’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(H’_y-v\varepsilon_0E’_z)
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}-v\frac{\partial E_x}{\partial x’}
\right)\tag{F$'{}'{}’$}\end{align*}

\begin{align*}\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}+v\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}-v\frac{\partial H’_x}{\partial x’}\right)\\\rightarrow\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}- v\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial y’}- v\mu_0 \frac{\partial H’_z}{\partial z’}
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}-v\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
\right)\\\rightarrow\frac{\partial }{\partial y’}(E’_z- v\mu_0H’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(E’_y+v\mu_0H’_z )
&=-\mu_0\left(
\frac{\partial H’_x}{\partial t’}-v\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
\right)\end{align*}

\begin{align*}\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}-v\frac{\partial E_x}{\partial x’}
\right)\\\rightarrow\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}+v\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+v\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}-v\frac{\partial E_x}{\partial x’}
\right)\\\rightarrow\frac{\partial }{\partial y’}(H’_z+v\varepsilon_0E’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(H’_y-v\varepsilon_0E’_z)
&=\varepsilon_0\left(
\frac{\partial E_x’}{\partial t’}-v\frac{\partial E_x}{\partial x’}
\right)\end{align*}

となる。これらの式と元の式(C),(F)

\begin{align*}\frac{\partial E_z}{\partial y}
-\frac{\partial E_y}{\partial z}
&=-\mu_0
\frac{\partial H_x}{\partial t}\tag{C}\\\frac{\partial H_z}{\partial y}
-\frac{\partial H_y}{\partial z}
&=\varepsilon_0
\frac{\partial E_x}{\partial t}\tag{F}\end{align*}

を見比べると、ガリレイ変換

\begin{align}\frac{\partial}{\partial x}&=\frac{\partial}{\partial x’}\\\frac{\partial}{\partial y}&=\frac{\partial}{\partial y’}\\\frac{\partial}{\partial z}&=\frac{\partial}{\partial z’}\\\frac{\partial}{\partial t}&=\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}
\end{align}

に加えて次のような電場·磁場の変換

\begin{align}E_x &= E’_x\\E_y &= E’_y + v\mu_0 H’_z \\
E_z&= E’_z{}- v\mu_0 H’_y\\H_x &= H’_x\\
H_y &= H’_y -v \varepsilon_0 E’_z \\
H_z &= H’_z + v\varepsilon_0 E’_y
\end{align}

を行なえば式(\(\text C\)),(\(\text F\))から式(\(\text C'{}'{}’\)),(\(\text F'{}'{}’\))に変換することができる。そして、式(\(\text C'{}'{}’\)),(\(\text F'{}'{}’\))は式(\(\text C’\)) ,(\(\text F’\))に等しいことから、これらの変換の下でファラデー-マクスウェルの式とアンペール-マクスウェルの式の\(x\)成分は不変となることがわかる。

 ここで、全ての式にガリレイ変換と上記の電場·磁場の変換を行なうと

\begin{align}
\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=v \varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-v \varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial z’} \tag{$\bar {\text A}$}\\
\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z }{\partial z’}
&=-v\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
+v\mu_0 \frac{\partial H’_y}{\partial z’}\tag{$\bar {\text B}$}\\
\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+v\mu_0\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text C}$}\\
\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial E’_z}{\partial x’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text D}$}
\\
\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text E}$}\\
\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}-v\varepsilon_0\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text F}$}\\\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial H’_z}{\partial x’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text G}$}
\\
\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial x’}\tag{$\bar {\text H}$}
\end{align}

\begin{align*}
\frac{\partial H_x}{\partial x}
+\frac{\partial H_y}{\partial y}
+\frac{\partial H_z}{\partial z}
&=0\tag{A}\\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial }{\partial y’}(H’_y -v \varepsilon_0 E’_z)
+\frac{\partial }{\partial z’}(H’_z + v\varepsilon_0 E’_y)
&=0\\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=v \varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-v \varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial z’} \tag{$\bar {\text A}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial E_x}{\partial x}
+\frac{\partial E_y}{\partial y}
+\frac{\partial E_z}{\partial z}
&=0\tag{B}\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial }{\partial y’}( E’_y + v\mu_0 H’_z )
+\frac{\partial }{\partial z’}( E’_z {}- v\mu_0 H’_y)
&=0\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z }{\partial z’}
&=-v\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
+v\mu_0 \frac{\partial H’_y}{\partial z’}\tag{$\bar {\text B}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial E_z}{\partial y}
-\frac{\partial E_y}{\partial z}
&=-\mu_0\frac{\partial H_x}{\partial t}\tag{C}\\\rightarrow\frac{\partial }{\partial y’}(E’_z {}- v\mu_0 H’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(E’_y + v\mu_0 H’_z )
&=-\mu_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)H’_x\\\rightarrow\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+v\mu_0\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text C}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial E_x}{\partial z}
-\frac{\partial E_z}{\partial x}
&=-\mu_0\frac{\partial H_y}{\partial t}\tag{D}\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial}{\partial x’}( E’_z-v\mu_0 H’_y)
&=-\mu_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)(H’_y -v \varepsilon_0 E’_z)\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial E’_z}{\partial x’}+v\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial x’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+v\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
+v\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-v^2\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial x’}\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial E’_z}{\partial x’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text D}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial E_y}{\partial x}
-\frac{\partial E_x}{\partial y}
&=-\mu_0\frac{\partial H_z}{\partial t}\tag{E}\\\rightarrow\frac{\partial}{\partial x’}(E’_y + v\mu_0 H’_z )
-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}
&=-\mu_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)(H’_z + v\varepsilon_0 E’_y)\\\rightarrow
\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
+v\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial x’}-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
+v\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial x’}
-v\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+v^2\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial x’}\\\rightarrow\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text E}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial H_z}{\partial y}
-\frac{\partial H_y}{\partial z}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_x}{\partial t}\tag{F}\\\rightarrow\frac{\partial }{\partial y’}( H’_z + v\varepsilon_0 E’_y)
-\frac{\partial }{\partial z’}(H’_y -v \varepsilon_0 E’_z)
&=\varepsilon_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)E’_x\\\rightarrow\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}-v\varepsilon_0\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text F}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial H_x}{\partial z}
-\frac{\partial H_z}{\partial x}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_y}{\partial t}\tag{G}\\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial}{\partial x’}(H’_z + v\varepsilon_0 E’_y)
&=\varepsilon_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)( E’_y + v\mu_0 H’_z )\\\rightarrow
\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial H’_z}{\partial x’}-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial x’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial x’}+v\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-v^2\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial H’_z}{\partial x’}\\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial H’_z}{\partial x’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text G}$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial H_y}{\partial x}
-\frac{\partial H_x}{\partial y}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E_z}{\partial t}\tag{H}\\\rightarrow\frac{\partial}{\partial x’}(H’_y -v \varepsilon_0 E’_z)
-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}
&=\varepsilon_0\left(\frac{\partial}{\partial t’}-v\frac{\partial}{\partial x’}\right)( E’_z{}- v\mu_0 H’_y)\\\rightarrow
\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial x’}-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-v\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial x’}-v\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+v^2\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial H’_y}{\partial x’}\\\rightarrow\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial x’}\tag{$\bar {\text H}$}
\end{align*}

 ここで、次の関係を用いている。

\begin{align*}\mu_0\varepsilon_0=\frac{1}{c^2}\end{align*}

となり、式(\(\bar {\text A}\)),(\(\bar {\text B}\))に式(\(\bar {\text C}\)),(\(\bar {\text F}\))を代入し、式(\(\bar {\text C}\)),(\(\bar {\text F}\))に式(\(\bar {\text A}\)),(\(\bar {\text B}\))を代入すると

\begin{align}
\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right)
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text A}’$}\\
\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text B}’$}\\
\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}\right)
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text C}’$}\\
\frac{\partial E’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial E’_z}{\partial x’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text D}$}
\\
\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial E’_x}{\partial y’}&=-\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial E’_y}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text E}$}\\
\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}\right)
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text F}’$}\\\frac{\partial H’_x}{\partial z’}
-\frac{\partial H’_z}{\partial x’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial t’}
+\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial t’}
-\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_z}{\partial x’}
\tag{$\bar {\text G}$}
\\
\frac{\partial H’_y}{\partial x’}
-\frac{\partial H’_x}{\partial y’}&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial t’}
-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial t’}
+\frac{v^2}{c^2}\frac{\partial H’_y}{\partial x’}\tag{$\bar {\text H}$}
\end{align}

\begin{align*}\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=v \varepsilon_0\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-v \varepsilon_0\frac{\partial E’_y}{\partial z’} \tag{$\bar {\text A}$}\\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=-v\mu_0 \varepsilon_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+v^2\mu_0\varepsilon_0\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right) \\\rightarrow\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+\frac{v^2}{c^2}\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right) \\\rightarrow\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right)
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text A}’$}\end{align*}

\begin{align*}
\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z }{\partial z’}
&=-v\mu_0\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
+v\mu_0 \frac{\partial H’_y}{\partial z’}\tag{$\bar {\text B}$}\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z }{\partial z’}
&=-v\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}+v^2\mu_0\varepsilon_0\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z }{\partial z’}
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_x}{\partial t’}+\frac{v^2}{c^2}\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}
+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}
+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)
&=-\frac{v}{c^2}\frac{\partial E’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text B}’$}\end{align*}

\begin{align*}\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+v\mu_0\left(\frac{\partial H’_x}{\partial x’}+\frac{\partial H’_y}{\partial y’}+\frac{\partial H’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text C}$}\\\rightarrow\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+v^2\mu_0\epsilon_0\left(\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}+\frac{v^2}{c^2}\left(\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial E’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial E’_y}{\partial z’}\right)
&=-\mu_0\frac{\partial H’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text C}’$}\end{align*}

\begin{align*}\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}-v\varepsilon_0\left(\frac{\partial E’_x}{\partial x’}+\frac{\partial E’_y}{\partial y’}+\frac{\partial E’_z}{\partial z’}\right)\tag{$\bar {\text F}$}\\\rightarrow\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}+v^2\mu_0\varepsilon_0\left(\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}+\frac{v^2}{c^2}\left(\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}\right)\\\rightarrow\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)\left(\frac{\partial H’_z}{\partial y’}
-\frac{\partial H’_y}{\partial z’}\right)
&=\varepsilon_0\frac{\partial E’_x}{\partial t’}\tag{$\bar {\text F}’$}\end{align*}

となる。よって、ガリレイ変換に加えて電場·磁場の変換が

\begin{align}E_x &= E’_x\\E_y &= E’_y + v\mu_0 H’_z \\
E_z&= E’_z{}- v\mu_0 H’_y\\H_x &= H’_x\\
H_y &= H’_y -v \varepsilon_0 E’_z \\
H_z &= H’_z + v\varepsilon_0 E’_y
\end{align}

であれば、\(\frac{v}{c}\)が十分小さい低速極限

\begin{align*}\frac{v}{c}\simeq0\end{align*}

のときに限って

\begin{align*}\frac{v^2}{c^2}\simeq0\end{align*}

も成り立ち、近似的にマクスウェル方程式の形は不変となることがわかる。

 ここで、「低速極限では、なぜ \(\frac{v}{c^2}\) ではなく \(\frac{v}{c}\) を小さい量として考えるのか」と疑問に思ったかもしれない。しかし、\(\frac{v}{c^2}\) は

\begin{align*}\left[\frac{v}{c^2}\right]=\frac{\mathrm{m/s}}{\mathrm{m^2/s^2}}=\mathrm{s/m}\end{align*}

という次元を持つため、単独では「大きい」「小さい」を比較することができない。実際、次ページでわかるが、\(\frac{v}{c^2}\) は空間座標 \(x\) と組み合わさって

\begin{align*}\frac{vx}{c^2}\end{align*}

という時間補正として現れる。たとえば、\(v=30\,\mathrm{m/s}\) のとき

\begin{align*}\frac{v}{c^2}\approx3.3\times10^{-16}\,\mathrm{s/m}\end{align*}

であるが、\(x=1\,\mathrm{m}\) なら

\begin{align*}\frac{vx}{c^2}\approx3.3\times10^{-16}\,\mathrm{s}\end{align*}

と非常に小さい一方、\(x=10^{15}\,\mathrm{m}\) なら

\begin{align*}\frac{vx}{c^2}\approx0.33\,\mathrm{s}\end{align*}

となり、無視できない大きさになる。つまり、\(\frac{v}{c^2}\) 単独では大小を議論できないのである。

 一方、\(\frac{v}{c}\) は

\begin{align*}\left[\frac{v}{c}\right]=1\end{align*}

であり無次元量であるため、純粋に「どれくらい小さいか」を比較できる。そのため、低速極限では \(\frac{v}{c}\) を小さい量として考えるのである。

次ページでは、さらに精度を上げて\(\frac{v^2}{c^2}\)が十分小さいときに近似的にマクスウェル方程式の形が保たれるように変換則を改良していくと、時間そのものを補正する「局所時間」の考えが現れることを見る。

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次ページから…

次ページでは、空間座標におけるガリレイ変換

\begin{align*}x’&=x-vt\\y’&=y\\z’&=z\end{align*}

に加えて局所時間

\begin{align*}t’&=t-\frac{v}{c^2}x\end{align*}

を導入すると、\(\frac{v^2}{c^2}\)が十分小さいときに近似的にマクスウェル方程式の形が保たれることをみる。これは、慣性系同士の相対速度\(v\)が光速度\(c\)と比べて十分小さい低速極限よりもさらに精度の高い変換である。


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