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マクスウェル方程式のローレンツ不変性

 実はローレンツ力の段階でかなり準備はできている。電場E、磁束密度Bを電磁ポテンシャルAμ=(A0, Ax, Ay, Az)を用いて、書き換えることで、ローレンツ力は特殊相対性原理を満たすことができた。今回はマクスウェル方程式を電磁ポテンシャルを使って書き換えよう。まずはマクスウェル方程式の復習から入っていきたい。
** 磁気のガウスの法則 ** (1)B=0 を満たす関数としてベクトルポテンシャルAB=:×Aで定義された。B=×Aなら自動的にB=0が成り立つ。ベクトルポテンシャルを定義した時点で、磁気のガウスの法則は満たされる。電場はE=Ee+Emクーロン電場と誘導電場の和で表せる。(磁場は磁気単子がないので誘導磁場のみを考えればよい。)クーロン電場をEe=ϕのようにスカラーポテンシャルを使って表すことができる。
** ファラデーの法則 ** (2)×E=Bt を用いることで、電場Eは、E:=ϕA/tのようになる。こちらを定義にしても(2)を自動的に満たす。
** アンペールの法則 ** ×B=μ0j+1c2Et を電磁ポテンシャルを使うことで、 (3)(21c22t2)A(1c2ϕt+A)=μ0j のように表せる。
** 電気のガウスの法則 ** E=ρϵ0 を電磁気ポテンシャルを使って表すと、 (4)(21c22t2)ϕc+1ct(1c2ϕt+A)=μ0cρ (1)(2)式は電磁ポテンシャルの定義から派生できるので、(3)(4)式がマクスウェル方程式である。ϕ,Aには任意性があり、
** ローレンツゲージ ** 1c2ϕt+A=0 となるようにとると、マクスウェル方程式は (5)(21c22t2)A=μ0j (6)(21c22t2)ϕc=μ0cρ ここで、ミンコフスキー空間の座標xμ=(ct,x,y,z)と4元ベクトルポテンシャルAμ:=(ϕ/c,Ax,Ay,Az)を用いてローレンツゲージは A0x0+A1x1+A2x2+A3x3=0 のように表せる。偏微分の記号を簡略して縮約を取ると、 μAμ=0 μAμの逆変換を受けるので、 μAμ=μL νμAμ=L νμμAμ=μAμ=0 ローレンツ変換に依らない。4元電流jμ:=(cρ,jx,jy,jz)を定義する。(5)式のx成分は ((x0)2+(x1)2+(x2)2+(x3)2)A1=μ0j1 ((0)2+(1)2+(2)2+(3)2)A1=μ0j1 (00+11+22+33)A1=μ0j1 ννA1=μ0j1 他の成分や(6)式も同様にできるので、 ννAμ=μ0jμ これが特殊相対性理論でのローレンツゲージのマクスウェル方程式である。μμはローレンツ変換に依らないので、マクスウェル方程式のローレンツ変換は ννAμ=ννAμ=ννL νμAν L νμ(ννAν)=L νμ(μ0jν) ννAμ=μ0L νμjν 4元電流のローレンツ変換を jμ:=L νμjν のように定義するという自然な仮定でマクスウェル方程式は特殊相対性原理を満たす。
**4元電流のローレンツ変換**
 ミンコフスキー空間の位置ベクトルxμが、xμ=L νμxνのようにローレンツ変換されるなら、4元電流jμのローレンツ変換は、 jμ=L νμjν となる。
**相対性理論のマクスウェル方程式**
 4元ベクトルポテンシャルAμ、4元電流jμについて、ローレンツゲージμAμ=0、のマクスウェル方程式は μμAν=μ0jν のように表せる。4元電流が4元位置ベクトルxμと同様のローレンツ変換を受けるなら慣性系に依らず成り立つ。
 今回は式がきれいになるのでローレンツゲージを使いましたが一般的なマクスウェル方程式でもローレンツ変換不変です。電磁気の物理法則は4元ベクトルポテンシャル、4元電流が位置ベクトルと同様のローレンツ変換をするという自然な仮定するだけで、特に何も直さずに成立しました。ローレンツ変換で添え字が変わったりしますが、法則が変わっているわけではありません。例えば AμAμ=A0A0+A1A1+A2A2+A3A3 AαAα=A0A0+A1A1+A2A2+A3A3 和を取るものであれば、μでもαでも関係ありません。 fν=kxν, fβ=kxβ これも同じです。 f0=kx0, f1=kx1 f2=kx2, f3=kx3 の4つの法則が成り立っていてそれを代表して1,2,3,4=ν1,2,3,4=βと表しているわけです。ν,βが表すのは同じ4つの式になります。