Кіріспе
Физикадағы ой эксперименті Қозғалыстағы магнит пен өткізгіш мәселесі - классикалық электромагнетизм мен арнайы салыстырмалылық теориясының қиылысына қатысты 19-ғасырда пайда болған атақты ой эксперименті. Онда магнитке қатысты тұрақты жылдамдықпен қозғалатын өткізгіштегі ток магниттің және өткізгіштің эталондық шеңберінде есептеледі. Тәжірибедегі байқалатын шама, ток, салыстырмалылықтың негізгі қағидасына сәйкес, екі жағдайда да бірдей: "Тек салыстырмалы қозғалыс байқалады; тыныштықтың абсолютті стандарты жоқ". Алайда Максвелл теңдеулеріне сәйкес, өткізгіштегі зарядтар магниттің шеңберіндегі магниттік күшті және өткізгіштің шеңберіндегі электр күшін сезінеді. Бір құбылыстың байқаушының көзқарасына байланысты екі түрлі сипаттамалары бар сияқты. Бұл проблема Физо экспериментімен, жарықтың ауытқуымен және кері эфирдің айналасына ауысу сынақтарымен, мысалы, Микельсон-Морли экспериментімен бірге Эйнштейннің салыстырмалылық теориясын әзірлеуінің негізін құрады.
The moving magnet and conductor problem is a famous thought experiment, originating in the 19th century, concerning the intersection of classical electromagnetism and special relativity. In it, the current in a conductor moving with constant velocity, v, with respect to a magnet is calculated in the frame of reference of the magnet and in the frame of reference of the conductor. The observable quantity in the experiment, the current, is the same in either case, in accordance with the basic principle of relativity, which states: "Only relative motion is observable; there is no absolute standard of rest". However, according to Maxwell's equations, the charges in the conductor experience a magnetic force in the frame of the magnet and an electric force in the frame of the conductor. The same phenomenon would seem to have two different descriptions depending on the frame of reference of the observer. This problem, along with the Fizeau experiment, the aberration of light, and more indirectly the negative aether drift tests such as the Michelson–Morley experiment, formed the basis of Einstein's development of the theory of relativity.
Кіріспе
Эйнштейннің 1905 жылғы әлемді салыстырмалылық теориясына енгізген еңбегі магнит / өткізгіш проблемасының сипаттамасымен ашылады: Максвеллдің электродинамикасы қазіргі уақытта әдетте түсінілетін қозғалатын денелерге қолданылған кезде, құбылыстарға тән емес асимметрияларға әкелетіндігі белгілі. Мысалы, магнит пен өткізгіштің өзара электродинамикалық әрекеті. Мұнда байқалатын құбылыс тек өткізгіш пен магниттің салыстырмалы қозғалысына байланысты, ал әдеттегі көзқарас екі жағдайды бір-бірінен ажыратып, бірін-бірі қозғалтып отырады. Егер магнит қозғалып, өткізгіш тоқтаса, онда магниттің маңында белгілі бір энергиясы бар электр өрісі пайда болады, ол өткізгіштің бөліктері орналасқан жерлерде ток шығарады. Бірақ егер магнит қозғалмай, ал өткізгіш қозғалса, магниттің маңында электр өрісі пайда болмайды. Алайда, өткізгіште электр қозғалтқыштық күшті табамыз, оның өзінде сәйкес келетін энергия жоқ, бірақ ол қарастырылған екі жағдайда салыстырмалы қозғалыстың теңдігін болғанда бірінші жағдайда электр күштерінің тудырғандарымен бірдей бағыт пен қарқынды электр тоқтарын тудырады. А. А. А. Эйнштейн "Қозғалатын денелердің электродинамикасы туралы" (1905) Әртүрлі құрылымдардағы сипаттамаларға қойылатын басты талап - олардың сәйкес болуы. Тұрақтылық мәселесі болып табылады, өйткені Ньютон механикасы зарядтарды қозғаушы және токқа себепші күштер үшін бір трансформацияны (Галилейлік инварианстық деп аталады) болжайды, ал Максвелл теңдеулерімен көрсетілген электродинамика бұл күштерді тудыратын өрістердің әртүрлі түрде өзгеруін болжайды (Лоренц инварианстығына сәйкес). Жарық аберрациясының байқаулары, Майклсон-Морли экспериментімен аяқталып, Лоренц инвариантының жарамдылығын анықтады, ал арнайы салыстырмалылық теориясының дамуы Ньютон механикасымен туындаған келіспеушілікті шешті. Арнайы салыстырмалылық теориясы қозғалатын анықтамалық жүйелердегі күштердің трансформациясын Лоренц инвариантымен сәйкес келетін етіп қайта қарады. Бұл өзгерістердің егжей-тегжейі төменде қарастырылады. Біркелкілікпен қатар, сипаттамаларды біріктіріп, оларды фреймге тәуелсіз етіп көрсету жақсы болар еді. Кезекті тәуелсіз сипаттаманың бір нұсқасы - бір анықтамалық шеңбердегі магнит өрістерінің басқа шеңбердегі электр өрістеріне айналуы. Сол сияқты, электр өрістерінің соленоидтық бөлігі (электр зарядынан туындамаған бөлігі) басқа кадрдағы магнит өрісіне айналады: яғни соленоидтық электр өрістері мен магнит өрістері бір нәрсенің аспектілері болып табылады. Бұл дегеніміз, әртүрлі сипаттамалардың парадокс тек семантикалық болуы мүмкін. B және E орнына скалярлық және векторлық потенциалдарды φ және A пайдаланатын сипаттама семантикалық тұзақтан аулақ болады. Лоренц инвариантты төрт вектор Aα = (φ / c, A) E және B орнын алады және фреймге тәуелсіз сипаттама береді (егерде E B сипаттамасына қарағанда аз болса да). Сипаттамаларды біріктірудің баламалы әдісі - физикалық тұлғаны электромагниттік өрістің тензоры ретінде ойлау, ол кейін сипатталады. Бұл тензор құрамында компоненттер ретінде Е және В өрістері бар және барлық эталондық жүйелерде бірдей формада.
It is known that Maxwell's electrodynamics – as usually understood at the present time – when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon here depends only on the relative motion of the conductor and the magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighborhood of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the neighborhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives rise – assuming equality of relative motion in the two cases discussed – to electric currents of the same path and intensity as those produced by the electric forces in the former case. |A. Einstein|On the electrodynamics of moving bodies (1905)
An overriding requirement on the descriptions in different frameworks is that they be consistent. Consistency is an issue because Newtonian mechanics predicts one transformation (so called Galilean invariance) for the forces that drive the charges and cause the current, while electrodynamics as expressed by Maxwell's equations predicts that the fields that give rise to these forces transform differently (according to Lorentz invariance). Observations of the aberration of light, culminating in the Michelson–Morley experiment, established the validity of Lorentz invariance, and the development of special relativity resolved the resulting disagreement with Newtonian mechanics. Special relativity revised the transformation of forces in moving reference frames to be consistent with Lorentz invariance. The details of these transformations are discussed below. In addition to consistency, it would be nice to consolidate the descriptions so they appear to be frame independent. A clue to a framework independent description is the observation that magnetic fields in one reference frame become electric fields in another frame. Likewise, the solenoidal portion of electric fields (the portion that is not originated by electric charges) becomes a magnetic field in another frame: that is, the solenoidal electric fields and magnetic fields are aspects of the same thing. That means the paradox of different descriptions may be only semantic. A description that uses scalar and vector potentials φ and A instead of B and E avoids the semantical trap. A Lorentz invariant four vector Aα = (φ / c, A) replaces E and B and provides a frame independent description (albeit less visceral than the E– B–description). An alternative unification of descriptions is to think of the physical entity as the electromagnetic field tensor, as described later on. This tensor contains both E and B fields as components, and has the same form in all frames of reference.
Өмірбаян
Электромагниттік өрістерді тікелей байқауға болмайды. Классикалық электромагниттік өрістердің бар екендігі зарядталған бөлшектердің қозғалысынан, олардың траекториялары байқалатыннан тұжырымдалуы мүмкін. Электромагниттік өрістер зарядталған бөлшектердің байқалатын қозғалысын түсіндіреді. Физикадағы маңызды талап - бөлшектің қозғалысын бақылайтын барлық бақылаушылар бөлшектің траекториясы туралы келісуі. Мысалы, егер бір бақылаушы бір бөлшектің нысананың ортасына соқтығысып жатқанын байқаса, онда барлық бақылаушылар бірдей қорытындыға келулері керек. Бұл талап электромагниттік өрістердің сипатына және олардың бір эталондық жүйеден екіншісіне түрленуі бойынша шектеулер қояды. Сонымен қатар, ол өрістердің жылдамдыққа және осылайша зарядталған бөлшектердің траекториясына әсер етуіне шектеулер қояды. Мүмкін ең қарапайым мысал, және Эйнштейн өзінің 1905 жылғы арнайы салыстырмалылық теориясын енгізген газетінде сілтеме жасаған, магнит өрісінде қозғалатын өткізгіш проблемасы. Магниттің шеңберінде өткізгіш магниттік күшті сезінеді. Магнитке қатысты қозғалатын өткізгіштің фреймінде өткізгіш электр өрісіне байланысты күшті сезінеді. Магниттік шеңбердегі магниттік өріс пен өткізгіш шеңберіндегі электр өрісі өткізгіште біркелкі нәтижелер беруі тиіс. 1905 жылы Эйнштейннің кезінде Максвелл теңдеулері арқылы берілген өріс теңдеулері дұрыс сәйкес келді. Алайда Ньютонның қозғалыс заңының өзгеруі қажет болды.
Галилейлік түрлендірулерді болжамдай отырып, өрістердің түрленуі
Магниттік кадр мен өткізгіш кадрдың Галилейдің түрленуімен байланысты екенін болжамдай отырып, екі кадрдағы өрістер мен күштерді есептеу оңай. Бұл екі кадрда да индуцирленген токтың бірдей екенін көрсетеді. Қосалқы өнім ретінде бұл аргумент сонымен қатар электр және магнит өрістерінің жалпы формуласын береді. Шын мәнінде, кадрлар Галилейдің түрленуімен емес, Лоренцтің түрленуімен байланысты. Дегенмен, бұл өте жақсы шамамен, жарық жылдамдығынан әлдеқайда аз жылдамдықпен, Галилейдің трансформациясы болады. Алдын ала белгіленбеген шамалар магниттің тынығу рамына сәйкес келеді, ал алдын ала белгіленетін шамалар өткізгіштің тынығу рамына сәйкес келеді. v магнит шеңберінен көрінетін өткізгіштің жылдамдығы болсын.
Далалар үшін Галилейдің түрлендіру формуласы
Магниттің аясында электр өрісі бар болса, ұқсас дәлел келтіруге болады. (Ампер Максвелл теңдеуі де іске қосылады, ол өткізгіштің аясындағы бұл қозғалатын электр өрісі магнит өрісіне қалай әсер ететінін түсіндіреді.) Нәтижесінде, жалпы алғанда, c - еркін кеңістіктегі жарық жылдамдығы. Бұл трансформация ережелерін толық Максвелл теңдеулеріне қосу арқылы, егер Максвелл теңдеулері бір фреймде дұрыс болса, онда олар екіншісінде де шындыққа жақын, бірақ Лоренцтің түрлендіруі бойынша дұрыс емес терминдер бар және өріс түрлендіру теңдеулері де төменде берілген өрнектерге сәйкес өзгертілуі керек.
with c the speed of light in free space. By plugging these transformation rules into the full Maxwell's equations, it can be seen that if Maxwell's equations are true in one frame, then they are almost true in the other, but contain incorrect terms pro by the Lorentz transformation, and the field transformation equations also must be changed, according to the expressions given below.