Сила Абрахама – Лоренца - Abraham–Lorentz force

в физика из электромагнетизм, то Сила Абрахама – Лоренца (также Сила Лоренца – Авраама) это отдача сила на ускорение заряженная частица вызванный испусканием частиц электромагнитное излучение. Его еще называют сила реакции излучения, радиационная сила демпфирования^[1] или сила.^[2]

Формула предшествует теории специальная теория относительности и не действует при скоростях, близких к скорости света. Его релятивистское обобщение называется Сила Абрахама – Лоренца – Дирака. Оба они находятся в сфере классическая физика, нет квантовая физика, и поэтому может быть недействительным на расстояниях примерно Комптоновская длина волны или ниже.^[3] Однако существует аналог формулы, который является как полностью квантовым, так и релятивистским, называемым «уравнением Абрахама – Лоренца – Дирака – Ланжевена».^[4]

Сила пропорциональна квадрату площади объекта. обвинять, раз придурок (скорость изменения ускорения), которую он испытывает. Сила направлена в сторону рывка. Например, в циклотрон, где рывок направлен против скорости, реакция излучения направлена противоположно скорости частицы, обеспечивая тормозное действие. Сила Абрахама – Лоренца является источником радиационная стойкость радио антенна излучающий радиоволны.

Существуют патологические решения уравнения Абрахама – Лоренца – Дирака, в которых частица ускоряется заранее приложения силы, так называемого предварительное ускорение решения. Поскольку это будет представлять собой следствие, предшествующее его причине (ретропричинность ), некоторые теории предполагают, что уравнение позволяет сигналам перемещаться назад во времени, тем самым ставя под сомнение физический принцип причинность. Одно решение этой проблемы обсуждал Артур Д. Ягджян.^[5] и далее обсуждается Фриц Рорлих^[3] и Родриго Медина.^[6]

Определение и описание

Математически сила Абрахама – Лоренца представлена в виде Единицы СИ к

{ displaystyle mathbf {F} _ { mathrm {rad}} = { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} mathbf { dot {a}} = { frac {q ^ {2}} {6 pi epsilon _ {0} c ^ {3}}} mathbf { dot {a}}}

или в Гауссовы единицы к

{ displaystyle mathbf {F} _ { mathrm {rad}} = {2 over 3} { frac {q ^ {2}} {c ^ {3}}} mathbf { dot {a}} .}

Здесь F_рад это сила, ${ Displaystyle mathbf { точка {а}}}$ является производной от ускорение, или третья производная от смещение, также называемый придурок, μ₀ это магнитная постоянная, ε₀ это электрическая постоянная, c это скорость света в свободное место, и q это электрический заряд частицы.

Обратите внимание, что эта формула предназначена для нерелятивистских скоростей; Дирак просто перенормировал массу частицы в уравнении движения, чтобы найти релятивистскую версию (ниже).

Физически ускоряющий заряд излучает излучение (согласно Формула лармора ), несущий импульс подальше от заряда. Поскольку импульс сохраняется, заряд толкается в направлении, противоположном направлению испускаемого излучения. Фактически, приведенная выше формула для радиационной силы может быть полученный из формулы Лармора, как показано ниже.

Фон

В классическая электродинамика, проблемы обычно делятся на два класса:

Проблемы, при которых заряд и ток источники полей указаны и поля рассчитываются, а
Обратная ситуация, задачи, в которых задаются поля и вычисляются движения частиц.

В некоторых областях физики, например физика плазмы и расчет транспортных коэффициентов (проводимость, коэффициент диффузии, и Т. Д.) поля, создаваемые источниками, и их движение решаются самосогласованно. Однако в таких случаях движение выбранного источника вычисляется в ответ на поля, генерируемые всеми другими источниками. Редко бывает вычислено движение частицы (источника) из-за полей, создаваемых той же самой частицей. Причина этого двоякая:

Пренебрежение "собственные поля "обычно приводит к ответам, которые достаточно точны для многих приложений, и
Включение собственных полей приводит к таким проблемам в физике, как перенормировка, некоторые из которых до сих пор не решены и относятся к самой природе материи и энергии.

Эти концептуальные проблемы, создаваемые собственными полями, выделены в стандартном выпускном тексте. [Джексон]

Трудности, связанные с этой проблемой, касаются одного из самых фундаментальных аспектов физики - природы элементарной частицы. Хотя частичные решения, применимые в ограниченных областях, могут быть предоставлены, основная проблема остается нерешенной. Можно было бы надеяться, что переход от классического подхода к квантово-механическому устранению трудностей. Хотя все еще есть надежда, что это в конечном итоге может произойти, нынешние квантово-механические дискуссии сопряжены с еще более сложными проблемами, чем классические. Это один из триумфов сравнительно недавних лет (~ 1948–1950), когда концепции лоренц-ковариантности и калибровочной инвариантности использовались достаточно умно, чтобы обойти эти трудности в квантовой электродинамике и, таким образом, позволить рассчитывать очень малые радиационные эффекты с чрезвычайно высокой точностью. , в полном соответствии с экспериментом. Однако с фундаментальной точки зрения трудности остаются.

Сила Абрахама – Лоренца является результатом наиболее фундаментальных расчетов влияния самогенерируемых полей. Он возникает из наблюдения, что ускоряющиеся заряды испускают излучение. Сила Абрахама – Лоренца - это средняя сила, которую испытывает ускоряющаяся заряженная частица при отдаче от излучения. Вступление к квантовые эффекты приводит к квантовая электродинамика. Собственные поля в квантовой электродинамике порождают в расчетах конечное число бесконечностей, которые можно удалить с помощью процесса перенормировка. Это привело к теории, которая может делать самые точные прогнозы, которые люди сделали на сегодняшний день. (Видеть прецизионные испытания QED.) Однако процесс перенормировки не удается применить к сила гравитации. Бесконечности в этом случае бесконечны, что приводит к невозможности перенормировки. Следовательно, общая теория относительности имеет нерешенную проблему собственного поля. Теория струн и петля квантовой гравитации текущие попытки решить эту проблему, формально называемую проблемой радиационная реакция или проблема самодействия.

Вывод

Простейший вывод силы самодействия находится для периодического движения из Формула лармора для мощности, излучаемой точечным зарядом:

{ displaystyle P = { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} mathbf {a} ^ {2}}

.

Если предположить, что движение заряженной частицы периодическое, то средняя работа, совершаемая над частицей силой Абрахама – Лоренца, будет отрицательной величиной мощности Лармора, проинтегрированной за один период от ${ displaystyle tau _ {1}}$ к ${ displaystyle tau _ {2}}$ :

{ displaystyle int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} mathbf {F} _ { mathrm {rad}} cdot mathbf {v} dt = int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} - Pdt = - int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} mathbf {a} ^ {2} dt = - int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} { frac {d mathbf {v}} {dt}} cdot { frac {d mathbf {v}} {dt}} dt }

.

Вышеприведенное выражение можно объединить по частям. Если предположить, что существует периодическое движение, граничный член в интеграле по частям исчезает:

{ displaystyle int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} mathbf {F} _ { mathrm {rad}} cdot mathbf {v} dt = - { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} { frac {d mathbf {v}} {dt}} cdot mathbf {v} { bigg |} _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} + int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} { frac { mu _ {0} q ^ {2} } {6 pi c}} { frac {d ^ {2} mathbf {v}} {dt ^ {2}}} cdot mathbf {v} dt = -0 + int _ { tau _ {1}} ^ { tau _ {2}} { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} mathbf { dot {a}} cdot mathbf { v} dt}

.

Ясно, что мы можем идентифицировать

{ displaystyle mathbf {F} _ { mathrm {rad}} = { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi c}} mathbf { dot {a}}}

.

Более строгий вывод, не требующий периодического движения, был найден с помощью эффективная теория поля формулировка.^[7]^[8] Альтернативный вывод, находящий полностью релятивистское выражение, был найден Дирак.^{[нужна цитата ]}

Сигналы из будущего

Ниже приводится иллюстрация того, как классический анализ может привести к удивительным результатам. Можно видеть, что классическая теория бросает вызов стандартным представлениям о причинности, тем самым сигнализируя либо о крахе, либо о необходимости расширения теории. В этом случае расширение должно быть квантовая механика и его релятивистский аналог квантовая теория поля. Смотрите цитату из Рорлиха ^[3] во введении о «важности соблюдения границ применимости физической теории».

Для частицы во внешней силе ${ displaystyle mathbf {F} _ { mathrm {ext}}}$ , у нас есть

{ displaystyle m { dot { mathbf {v}}} = mathbf {F} _ { mathrm {rad}} + mathbf {F} _ { mathrm {ext}} = mt_ {0} { ddot { mathbf {v}}} + mathbf {F} _ { mathrm {ext}}.}

куда

{ displaystyle t_ {0} = { frac { mu _ {0} q ^ {2}} {6 pi mc}}.}

Это уравнение можно проинтегрировать один раз, чтобы получить

{ displaystyle m { dot { mathbf {v}}} = {1 over t_ {0}} int _ {t} ^ { infty} exp left (- {t'-t over t_ {0}} right) , mathbf {F} _ { mathrm {ext}} (t ') , dt'.}

Интеграл простирается от настоящего до бесконечно далекого будущего. Таким образом, будущие значения силы влияют на ускорение частицы в настоящем. Будущие значения взвешиваются по коэффициенту

{ displaystyle exp left (- {t'-t over t_ {0}} right)}

который быстро спадает в разы больше, чем ${ displaystyle t_ {0}}$ в будущем. Следовательно, сигналы из интервала примерно ${ displaystyle t_ {0}}$ в будущее влияет на ускорение в настоящем. Для электрона это время примерно равно ${ displaystyle 10 ^ {- 24}}$ сек, то есть время, за которое световая волна проходит через "размер" электрона, классический радиус электрона. Один из способов определить этот "размер" следующий: это (с точностью до некоторого постоянного множителя) расстояние ${ displaystyle r}$ так что два электрона, находящиеся в состоянии покоя на расстоянии ${ displaystyle r}$ в разлуке и позволяя разлететься, будет иметь достаточно энергии, чтобы достичь половины скорости света. Другими словами, он образует шкалу длины (или времени, или энергии), в которой нечто столь же легкое, как электрон, было бы полностью релятивистским. Стоит отметить, что это выражение не включает Постоянная Планка вообще, поэтому, хотя это указывает на то, что что-то не так на этом масштабе длины, это не имеет прямого отношения к квантовой неопределенности или к соотношению частота-энергия фотона. Хотя в квантовой механике принято рассматривать ${ displaystyle hbar to 0}$ как «классический предел», некоторые^{[ВОЗ? ]} предполагают, что даже классическая теория нуждается в перенормировке, независимо от того, как постоянная Планка будет фиксированной.

Сила Абрахама – Лоренца – Дирака

Чтобы найти релятивистское обобщение, Дирак перенормировал массу в уравнении движения с помощью силы Абрахама – Лоренца в 1938 году. Это перенормированное уравнение движения называется уравнением движения Абрахама – Лоренца – Дирака.^[9]

Определение

Выражение, полученное Дираком, дается в сигнатуре (-, +, +, +) как

{ displaystyle F _ { mu} ^ { mathrm {rad}} = { frac { mu _ {o} q ^ {2}} {6 pi mc}} left [{ frac {d ^ { 2} p _ { mu}} {d tau ^ {2}}} - { frac {p _ { mu}} {m ^ {2} c ^ {2}}} left ({ frac {dp_ { nu}} {d tau}} { frac {dp ^ { nu}} {d tau}} right) right].}

С Liénard релятивистское обобщение формулы Лармора в подвижная рама,

{ displaystyle P = { frac { mu _ {o} q ^ {2} a ^ {2} gamma ^ {6}} {6 pi c}},}

можно показать, что это действительная сила, манипулируя уравнением среднего времени для мощность:

{ displaystyle { frac {1} { Delta t}} int _ {0} ^ {t} Pdt = { frac {1} { Delta t}} int _ {0} ^ {t} { textbf {F}} cdot { textbf {v}} , dt.}

Парадоксы

Как и в нерелятивистском случае, существуют патологические решения, использующие уравнение Абрахама – Лоренца – Дирака, которое предвосхищает изменение внешней силы и согласно которому частица ускоряется. заранее применения силы, так называемого предварительное ускорение решения. Одно решение этой проблемы обсуждалось Ягджяном:^[5] и далее обсуждается Рорлихом^[3] и Медина.^[6]

Самовзаимодействие

Однако антидемпфирующий механизм, возникающий из-за силы Абрахама – Лоренца, может быть компенсирован другими нелинейными членами, которые часто не учитываются при разложении запаздывающих Потенциал Льенара – Вихерта.^[3]

Экспериментальные наблюдения

Хотя силой Абрахама – Лоренца в значительной степени пренебрегают из-за многих экспериментальных соображений, она приобретает все большее значение для плазмонный возбуждения в больших наночастицы из-за значительных улучшений местного поля. Демпфирование излучения действует как ограничивающий фактор для плазмонный волнения в с улучшенной поверхностью Рамановское рассеяние.^[10] Было показано, что демпфирующая сила уширяет поверхностные плазмонные резонансы в наночастицы золота, наностержни и кластеры.^[11]^[12]^[13]

Влияние радиационного затухания на ядерный магнитный резонанс также наблюдались Николаас Блумберген и Роберт Паунд, который сообщил о своем превосходстве над спин – спин и спин-решеточная релаксация механизмы для определенных случаев.^[14]

Смотрите также

дальнейшее чтение

Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0. См. Разделы 11.2.2 и 11.2.3.
Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. ISBN 978-0-471-30932-1.
Дональд Х. Мензель (1960) Основные формулы физики, Dover Publications Inc., ISBN 0-486-60595-7, т. 1, стр. 345.
Стивен Паррот (1987) Релятивистская электродинамика и дифференциальная геометрия., § 4.3 Радиационная реакция и уравнение Лоренца-Дирака, страницы 136–45, и § 5.5 Частные решения уравнения Лоренца-Дирака, страницы 195–204, Springer-Verlag ISBN 0-387-96435-5 .

внешняя ссылка

[griffiths-1] Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0.

[2] Рорлих, Фриц (2000). «Самодействие и радиационная реакция». Американский журнал физики. 68 (12): 1109–1112. Bibcode:2000AmJPh..68.1109R. Дои:10.1119/1.1286430.

[Rohrlich-3] а ^б ^c ^d ^е Фриц Рорлих: Динамика заряженного шара и электрона, Являюсь. J. Phys. 65 (11) стр. 1051 (1997). "Динамика точечных зарядов является прекрасным примером важности соблюдения пределов применимости физической теории. Когда эти пределы превышаются, предсказания теории могут быть неверными или даже явно абсурдными. В данном случае классические уравнения движение имеет свои пределы применимости там, где важна квантовая механика: им больше нельзя доверять на расстояниях порядка (или ниже) комптоновской длины волны… Только когда все задействованные расстояния находятся в классической области, классическая динамика приемлема для электронов ».

[4] П. Р. Джонсон, Б. Л. Ху (2002). «Стохастическая теория релятивистских частиц, движущихся в квантовом поле: скалярное уравнение Абрахама – Лоренца – Дирака – Ланжевена, реакция излучения и флуктуации вакуума». Физический обзор D. 65 (6): 065015. arXiv:Quant-ph / 0101001. Bibcode:2002PhRvD..65f5015J. Дои:10.1103 / PhysRevD.65.065015.

[Yaghjian-5] а ^б Ягджян, Артур Д. (2006). Релятивистская динамика заряженной сферы: обновление модели Лоренца – Абрахама.. Конспект лекций по физике. 686 (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. Глава 8. ISBN 978-0-387-26021-1.

[Medina-6] а ^б Родриго Медина (2006). «Радиационная реакция классической квазитвердой протяженной частицы». Журнал физики A: математические и общие. 39 (14): 3801–3816. arXiv:физика / 0508031. Bibcode:2006JPhA ... 39.3801M. Дои:10.1088/0305-4470/39/14/021.

[7] Бирнхольц, Офек; Хадар, Шахар; Кол, Барак (2014). «Радиационная реакция на уровне действия». Международный журнал современной физики A. 29 (24): 1450132–90. arXiv:1402.2610. Bibcode:2014IJMPA..2950132B. Дои:10.1142 / S0217751X14501322.

[8] Бирнхольц, Офек; Хадар, Шахар; Кол, Барак (2013). «Теория постньютоновского излучения и реакции». Физический обзор D. 88 (10): 104037. arXiv:1305.6930. Bibcode:2013PhRvD..88j4037B. Дои:10.1103 / PhysRevD.88.104037.

[9] Дирак, П.А.М. (1938). «Классическая теория излучающих электронов». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки. 167 (929): 148–169. Bibcode:1938RSPSA.167..148D. Дои:10.1098 / rspa.1938.0124. JSTOR 97128.

[plasmon1-10] Wokaun, A .; Гордон, Дж. П.; Ляо, П. Ф. (5 апреля 1952 г.). «Демпфирование излучения при поверхностно-усиленном комбинационном рассеянии света». Письма с физическими проверками. 48 (14): 957–960. Дои:10.1103 / PhysRevLett.48.957.

[11] Sönnichsen, C .; и другие. (Февраль 2002 г.). «Резкое снижение демпфирования плазмонов в золотых наностержнях». Письма с физическими проверками. 88 (7): 077402. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.077402. PMID 11863939.

[12] Каролина, Ново; и другие. (2006). «Вклады от радиационного затухания и поверхностного рассеяния в ширину линии продольной плазмонной полосы золотых наностержней: исследование одиночных частиц». Физическая химия Химическая физика. 8 (30): 3540–3546. Дои:10.1039 / b604856k. PMID 16871343.

[13] Sönnichsen, C .; и другие. (2002). «Плазмонные резонансы в больших кластерах благородных металлов». Новый журнал физики. 4: 93.1–93.8. Дои:10.1088/1367-2630/4/1/393.

[14] Блумберген, Н.; Паунд, Р.В. (Июль 1954 г.). «Радиационное поражение в экспериментах по магнитному резонансу» (PDF). Физический обзор. 95 (1): 8–12. Дои:10.1103 / PhysRev.95.8.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]