24.01.2015 Views

Niezmienniki relatywistyczne i ich wykorzystanie w opisie ... - Sage

Niezmienniki relatywistyczne i ich wykorzystanie w opisie ... - Sage

Niezmienniki relatywistyczne i ich wykorzystanie w opisie ... - Sage

SHOW MORE
SHOW LESS
  • No tags were found...

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

<strong>Niezmienniki</strong> <strong>relatywistyczne</strong> i <strong>ich</strong> <strong>wykorzystanie</strong><br />

w <strong>opisie</strong> zjawisk fizycznych<br />

Henryk Czyż<br />

29 listopada 2011<br />

1 Wprowadzenie<br />

Konstrukcja niezmienników relatywistycznych jako kontrakcji tensorów dowolnego<br />

rzędu pozwala nie tylko na przejrzysty opis zjawisk fizycznych, ale ułatwia<br />

rozwiązanie wielu problemów fizycznych. Weźmy przykład cząstki elementarnej<br />

o masie spoczynkowej m i czteropędzie p<br />

p µ = (E/c, p) , (1)<br />

gdzie E jest energią cząstki p jej pędem a c prędkością światła.<br />

Wiedząc, że p µ jest czterowektorem (kontrawariantnym) możemy skonstuować<br />

odpowiadający mu wektor kowariantny<br />

p µ = g µν p ν = (E/c, −p) . (2)<br />

Gdzie tensor metryczny w przestrzeni Minkowskiego jakiej używamy do opisu<br />

zjawisk fizycznych ma postać<br />

g µν =<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

1 0 0 0<br />

0 −1 0 0<br />

0 0 −1 0<br />

0 0 0 −1<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠ . (3)<br />

Niezmiennik p 2 ≡ p µ p µ można wyrazić przez masą m cząstki elementarnej<br />

p 2 = m 2 c 2 , (4)<br />

który wyraża związek między energią, pędem i masą cząstki elementarnej<br />

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 . (5)<br />

1


Związek (4) mówi też, że masa ma taką samą wartość w każdym układzie<br />

odniesienia (nie będziemy w tym wykładzie używać pojęcia masy <strong>relatywistyczne</strong>j<br />

(m r ), której użył Einstein w słynnym wzorze E = m r c 2 ).<br />

Pamiętając o związku prędkości, oznaczonej przez v z energią i pędem cząstki<br />

dostajemy<br />

v = c 2 p E = p<br />

c2 √<br />

p2 c 2 + m 2 c . (6)<br />

4<br />

Widać stąd, że długość prędkości<br />

c|p|<br />

|v| = c√ (7)<br />

p2 c 2 + m 2 c 4<br />

nie może przekroczyć prędkości światła c.<br />

Musimy tu nawiązać do ważnego dla całej fizyki pomiaru prędkości neutrin<br />

lecących z laboratorium CERN w Szwajcarii do laboratorium Gran Sasso<br />

we Włoszech [1]. Wynik pomiaru wykazuje, że neutrina poruszają się szybciej<br />

niż światło. Gdyby ten pomiar został potwierdzony musielibyśmy zmienić wiele<br />

w naszym <strong>opisie</strong> zjawisk fizycznych. Pomiar ten mimo koncepcyjnej prostoty -<br />

mierzymy odległość i czas przelotu neutrin i stąd wyznaczamy <strong>ich</strong> prędkość -<br />

jest jednak bardzo trudny pod wzgędem technicznym i wymagał zastosowania<br />

wielu skomplikowanych technik eksperymentalnych (m. in. konieczna jest bardzo<br />

dokładna synchronizacja zegarów używanych w obydwu laboratoriach). W<br />

związku z tym, by można było uwierzyć w wyniki tego eksperymentu konieczny<br />

jest niezależny pomiar przez inną grupę badawczą.<br />

Najprostszy sposób w jaki można otrzymać prędkości większe od prędkości<br />

światła nie wychodząc poza szczególna teorię względności to dopuszczenie, że<br />

masa cząstki może być liczbą zespoloną (urojoną). Wtedy m 2 < 0 i |v| > c.<br />

Takie koncepcje pojawiły się o wiele wcześniej niż pomiar kolaboracji OPERA,<br />

zaś cząstki o takiej własności nazywamy tachionami. Tego typu rozszerzenie<br />

pojęcia masy prowadzi jednak do poważnych problemów przy konstrukcji teorii<br />

oddziaływania cząstek elementarnych, które do teraz nie zostały pomyślnie<br />

rozwiązane.<br />

2 Rozpad β jąder i hipoteza istnienia neutrina<br />

W oparciu o dane eksperymentalne z rozpadów β jąder, i proste wyliczenia kinematyczne<br />

z użyciem niezmienników realtywistycznych Wolfgang Pauli w roku<br />

1930 zapostulował istnienie cząstki, która została nazwana neutrino. Prześledzimy<br />

tutaj jego tok rozumowania.<br />

Rozpad β jąder to proces<br />

A<br />

ZX → A Z−1 Y + e − + ¯ν e (8)<br />

2


zmiany jednego typu jąder w inne o tej samej liczbie atomowej A i ładunku różnym<br />

o 1. Dodatkowo następuje emisja elektronu i antyneutrina elektronowego.<br />

Tyle wiemy dzisiaj, ale problem polega na tym, że w większości prowadzonych<br />

eksperymentów mierzymy tylko energię elektronu. Neutrino tak słabo oddziaływuje<br />

z materią, że nie jesteśmy go w stanie zarejestrować bez dedykowanych<br />

temu bardzo skomplikowanych urządzeń pomiarowych, które nie istniały w czasach<br />

Pauliego. Nie jesteśmy też w stanie zmierzyć energii powstającego jądra<br />

A<br />

Z−1<br />

Y bo nie wylatuje ono z radioaktywnego źródła, którego używamy. Skąd<br />

więc wiemy, że powstaje tam cząstka unosząca część energii jeśli nie jesteśmy w<br />

stanie tej energii zmierzyć Rozpatrzmy dwa przykłady: pierwszy z rozpadem<br />

cząstki o masie M na dwie cząstki o masach m 1 i m 2 drugi z rozpadem cząstki<br />

o masie M na trzy cząstki o masach m 1 , m 2 i m 3 . Postaramy się zobaczyć,<br />

czy z pomiaru energii dla jednej cząstki w stanie końcowym jesteśmy w stanie<br />

wiedzieć na ile cząstek rozpadła się cząstka o masie M.<br />

Kluczowe do rozwiązania tego problemu jest znalezienie ilości niezależnych<br />

niezmienników, ktore możemy skonstruować w każdym z tych przypadków, bo<br />

cały process możemy opisać używając takiej samej ilości zmiennych. Oznaczmy<br />

czteropędy cząstek uczestniczących w tych procesach przez p (czteropęd cząstki<br />

rozpadającej się) oraz p 1 , p 2 (p 3 ) ( czteropędy cząstek powstających w rozpadzie).<br />

Wykorzystamy tutaj zasadę zachowania czteropędu<br />

dla rozpadu na dwie cząstki oraz<br />

p = p 1 + p 2 (9)<br />

p = p 1 + p 2 + p 3 (10)<br />

dla rozpadu na trzy cząstki.<br />

W pierwszym przypadku z 6-ciu niezmienników (p 2 ,p 2 1,p 2 2,p · p 1 ,p · p 2 ,p 1 · p 2 )<br />

tylko trzy są niezależne, bo z równania (9) możemy otrzymać 3 niezależne<br />

związki między niezmiennikami mnożąc to równanie przez wszystkie (3) dostępne<br />

czteropędy. W przypadku rozpadu na trzy cząstki z 10-ciu niezmienników<br />

6 jest niezależnych bo jesteśmy w stanie dostać tylko cztery niezależne związki<br />

między nimi mnożąc równanie (10) przez wszystkie cztery dostępne czteropędy.<br />

Zatem dla przypadku rozpadu na dwie cząstki wszystkie wielkości kinematyczne<br />

( w tym energie ) powinniśmy być w stanie wyrazić poprzez masy cząstek<br />

uczestniczących w rozpadzie (patrz (4). Zrobimy to poniżej.<br />

Rozpad cząstki na dwie cząstki:<br />

Chcemy wyznaczyć energie dwóch cząstek po rozpadzie przy zadanych masach<br />

cząstki ulegającej rozpadowi (M) i cząstek na jakie się rozpada (m 1 , m 2 ).<br />

W tym celu definiujemy dla każdej z cząstek czterowektor pędu:<br />

P = (E/c, ⃗p)<br />

P 1 = (E 1 /c, ⃗p 1 )<br />

P 2 = (E 2 /c, ⃗p 2 )<br />

oraz korzystamy z zasady zachowania energii:<br />

E = E 1 + E 2<br />

3


i zasady zachowania pędu:<br />

⃗p = ⃗p 1 + ⃗p 2<br />

Ponadto z naszego układu równań możemy od razu wyeliminować jedną ze<br />

zmiennych rozpatrując rozpad w układzie środka masy, gdzie cząstka rozpadająca<br />

się M znajduje się w spoczynku, stąd:<br />

P = (E/c,⃗0)<br />

oraz<br />

⃗0 = ⃗p 1 + ⃗p 2 ⇒ ⃗p 1 = − ⃗p 2<br />

Zdefiniujmy to wszystko w środowisku sage’a: (worksheet rozpad2.sws zawiera<br />

ten przykład)<br />

var("c, M, m1, m2, E, E1, E2, p, p1, p2, P, P1, P2, BB, EE, N1, N2")<br />

Pv = vector([E/c, p])<br />

P1v = vector([E1/c, p1])<br />

P2v = vector([E2/c, p2])<br />

energia = E == E1+E2 #zachowanie energii<br />

ped = p == p1+p2 #zachowanie pędu<br />

p0 = p == 0<br />

#układ środka masy<br />

p2 = (solve(ped, p2)[0]).subs(p0)<br />

show(p2)<br />

p 2 = −p 1 (11)<br />

Korzystając z zależności:<br />

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4<br />

i z wcześniej zdefiniowanych czterowektorów pędu wyznaczamy niezmienniki<br />

rozpadu:<br />

( ) ( )<br />

P P = g αβ P α P β = P gP T 1 0 E/c<br />

= (E/c,⃗0)<br />

0 −1 ⃗0<br />

( ) E<br />

= (E/c,⃗0) = (E/c)<br />

⃗0<br />

2 = M 2 c 2 (12)<br />

(<br />

P i P i = g αβ Pi α P β i = P i gPi T 1 0<br />

= (E i /c, ⃗p i )<br />

0 −1<br />

= (E i /c, −⃗p i )<br />

) (<br />

Ei /c<br />

⃗p i<br />

)<br />

(<br />

Ei /c<br />

⃗p i<br />

)<br />

= (E i /c) 2 − p 2 i = m 2 i c 2 i = 1, 2 (13)<br />

metryka = matrix(2, 2, [1, 0, 0, -1])<br />

PP = P*P == (Pv*metryka*Pv.column())[0]<br />

PP = PP.subs(p0)<br />

PPa = P*P == M^2*c^2<br />

P1P1 = P1*P1 == (P1v*metryka*P1v.column())[0]<br />

P1P1a = P1*P1 == m1^2*c^2<br />

4


P2P2 = P2*P2 == (P2v*metryka*P2v.column())[0]<br />

P2P2 = P2P2.subs(p2)<br />

P2P2a = P2*P2 == m2^2*c^2<br />

PP1 = P*P1 == (Pv*metryka*P1v.column())[0]<br />

PP1 = PP1.subs(p0)<br />

PP2 = P*P2 == (Pv*metryka*P2v.column())[0]<br />

PP2 = PP2.subs(p0)<br />

P1P2 = P1*P2 == (P1v*metryka*P2v.column())[0]<br />

P1P2 = P1P2.subs(p2)<br />

co pozwala na wyznaczenie związku między energiami<br />

r1 = (energia^2).full_simplify()<br />

show(r1)<br />

E 2 = E 2 1 + 2 E 1 E 2 + E 2 2 (14)<br />

i pamiętając, że całe obliczenia prowadzimy w układzie spoczynkowym cząstki<br />

rozpadającej się<br />

r1 = r1.subs(solve(PP, E)[0])<br />

r1 = r1.subs(solve(PPa, P)[0])<br />

pom = sqrt(r1.rhs()) == sqrt(r1.lhs())<br />

assume(M>0)<br />

pom = pom.full_simplify()<br />

show(pom)<br />

dostajemy<br />

E 1 + E 2 = Mc 2 (15)<br />

Pozostało nam znaleźć drugi związek między energiami E 1 i E 2<br />

r2 = ((P1P1 - P2P2)).full_simplify()<br />

show(r2)<br />

r2 = r2.subs(P1P1a)<br />

r2 = ((r2.subs(P2P2a)).divide_both_sides(1/c^2)).full_simplify()<br />

show(r2)<br />

c 4 m 2 1 − c 4 m 2 2 = E 2 1 − E 2 2 (16)<br />

Rozwiązujemy te równania ((15) i (16)) korzystając z narzędzi sage’a<br />

rozwiazania = solve([pom,r2],E1,E2)<br />

show(rozwiazania)<br />

5


[[<br />

E 1 = M 2 c 2 + c 2 m 2 1 − c 2 m 2 2<br />

, E 2 = M 2 c 2 − c 2 m 2 1 + c 2 m 2 ]]<br />

2<br />

. (17)<br />

2 M<br />

2 M<br />

Z rozwiązań (17) można zobaczyć, że dla naszego przypadku domniemanego<br />

rozpadu jądra na dwie cząstki energia elektronu powinna się wyrażać przez masy<br />

jąder i masę elektronu a zatem powinna przyjmować tylko jedną wartość. W eksperymentach<br />

obserwowano jednak ciągły rozkład energii elektronu a nie jedną<br />

wartość, co pozwala wnioskować, że w procesie rozpadu powstaje więcej niż dwie<br />

cząstki. Już dla trzech cząstek mamy 6 niezależnych wielkości i prócz 4 mas cząstek<br />

możemy wybrać energie dwóch cząstek końcowych jako niezależne zmienne.<br />

Oczywiście mając tylko do dyspozycji informację o rozkładzie energii elektronu<br />

nie wiemy ile dokładnie powstaje cząstek, ale zwykle najprostsze założenia (w<br />

tym przypadku 3 cząstki) sprawdzają sie bardzo dobrze. Pauli mógł oczywiście<br />

przyjąć, tak jak sugerowali inni fizycy, że obserwacja świadczy o niezachowaniu<br />

energii i/lub pędu, bo z n<strong>ich</strong> wynikają wyprowadzone przez nas związki, ale<br />

wtedy pewnie w mojej dyskusji pojawiłoby się inne nazwisko.<br />

Problem na ćwiczenia:<br />

Znaleźć graficznie na płaszczyźnie E 1 − E 2 dopuszczalne wartości obydwu<br />

energii.<br />

Wskazówka: Rozpatrzeć cały proces w układzie spoczynkowym cząstki rozpadającej<br />

się. Rozpatrzeć ograniczenia na energię wynikających ze związków<br />

enerii, pędu i masy oraz zasady zachowania energii. Z zasady zachowania pędu<br />

można znaleźć związek między cosinusem kąta między pędami p 1 i p 2 a energiami:<br />

cos (a) = M 2 c 4 + c 4 m 2 1 + c 4 m 2 2 − c 4 m 2 3 − 2 ( E 1 c 2 + E 2 c 2) M + 2 E 1 E 2<br />

2 √ −c 4 m 2 2 + E2 2√<br />

−c4 m 2 1 + E2 1<br />

(18)<br />

Jeden sposób rozwiązania postawionego problemu znajduje się w worksheetcie<br />

rozpad3.sws, gdzie zakres dopuszczalnych wartości energii znaleziono numerycznie.<br />

3 Konstrukcja funkcji Lagrange’a dla elektrodynamiki<br />

Chcąc znaleźć funkcję Lagrange’a opisującą pole elektromagnetyczne - lagrangian<br />

elektrodynamiki - szukamy jej w postaci niezmienniczej względem grupy<br />

Lorentza. Zajmiemy się tutaj częścią lagrangianu opisującą same pole elektromagnetyczne.<br />

Równania ruchu jakie dostaniemy nie powinny być oczywiście niczym<br />

innym niż równaniami Maxwella, ale zobaczymy poniżej, że bardzo proste<br />

argumenty nie pozwalają na zbudowanie teorii różnej od tej opisywanej równaniami<br />

Maxwella. Do opisu używamy czteropotencjału zbudowanego z potencjału<br />

skalarnego i wektorowego<br />

6


A µ = (φ/c, A) , (19)<br />

który jest zwązany z polami elektrycznym E i magnetycznym B poprzez<br />

B = rot(A) , E = −grad(φ) − ∂A<br />

∂t . (20)<br />

Zauważmy od razu, że dwa z czterech równań Maxwella są spełnione automatycznie:<br />

rotE + ∂B<br />

∂t = 0<br />

divB = 0 . (21)<br />

Zatem używając do opisu czteropotencjału A µ razem ze związkami (20) nie<br />

musimy pamiętać o równaniach (21).<br />

Budując lagrangian oddziaływania pola elektromagnetycznego z ładunkami<br />

używaliśmy tensora pola elektromagnetycznego<br />

F µν = ∂ µ A ν − ∂ ν A µ . (22)<br />

Razem z tensorem metrycznym g µν i tensorem Levi-Civita ɛ µναβ są to wszystkie<br />

wielkości z których możemy zbudować niezmienniczy relatywistycznie lagrangian<br />

poprzez kontrakcję tensorów i czterowektorów. Wyższych pochodnych<br />

pól niż pierwsze nie używamy do konstrukcji lagrangianu z tak<strong>ich</strong> samych powodów,<br />

dla których wcześniej lagrangian nie zależał od przyśpieszenia. Część<br />

lagrangianu, którą teraz konstruujemy nie może zależeć też w jawny sposób ani<br />

od czteropołożenia ani od czteroprędkości bo wtedy uległyby zmianie równania,<br />

które wyprowadziliśmy wcześniej, opisujące oddziaływanie pola elektromagnetycznego<br />

z prądami. Możliwe niezmienniki to Ñ1 = F µν F µν , Ñ2 = ɛ µναβ F µν F αβ ,<br />

Ñ 3 = A µ A µ i oczywiście każda funkcja tych niezmienników. Jednak gdy chcemy<br />

by w naszej teorii była zasada superpozycji pól, co oznacza liniowe równania<br />

pola nie możemy mieć w lagrangianie wyższych potęg pól niż druga, zostają<br />

więc do dyspozycji tylko te trzy niezmienniki. Uważny czytelnik zauważy, że<br />

mogliśmy jeszcze skonstruować niezależny tensor symetryczny ∂ µ A ν + ∂ ν A µ i<br />

użyć go do konstrukcji niezmienników. Dlaczego go nie używamy i dlaczego wyrzucimy<br />

z dalszych rozważań niezmiennik Ñ3 wyjaśnimy dopiero gdy będziemy<br />

omawiać prawa zachowania. Wyprzedzając fakty powiemy teraz tylko, że gdybyśmy<br />

<strong>ich</strong> użyli do konstrukcji lagrangianu nie mielibyśmy prawa zachowania<br />

ładunku elektrycznego.<br />

Zostały nam zatem niezmienniki Ñ 1 i Ñ 2 . Wyraźmy je na początek poprzez<br />

natężenia pól elektrycznego i magnetycznego. By się nie zanudzić mnożeniem<br />

macierzy zróbmy to w sagu. Zdefiniujmy na początek tensory F i g o składowych<br />

kontrawariantnych<br />

7


var(’E1,E2,E3,c,B1,B2,B3’)<br />

F = matrix(4,[0,-E1/c,-E2/c,-E3/c,E1/c,0,-B3,B2,E2/c,B3,0,-B1,E3/c,-B2,B1,0])<br />

g = matrix(4,[1,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,-1])<br />

show(F)<br />

show(g)<br />

F µν =<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

0 − E1<br />

c<br />

− E2<br />

c<br />

− E3<br />

c<br />

E 1<br />

c<br />

0 −B 3 B 2<br />

E 2<br />

c<br />

B 3 0 −B 1<br />

E 3<br />

c<br />

−B 2 B 1 0<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠ , g µν =<br />

oraz tensor F o składowych kowariantnych<br />

FT =g*F*g<br />

show(FT)<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

1 0 0 0<br />

0 −1 0 0<br />

0 0 −1 0<br />

0 0 0 −1<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠ (23)<br />

F µν = g µα g νβ F αβ =<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

E 1 E 2 E 3<br />

c c c<br />

0<br />

− E1<br />

c<br />

0 −B 3 B 2<br />

− E2<br />

c<br />

B 3 0 −B 1<br />

− E3<br />

c<br />

−B 2 B 1 0<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠ . (24)<br />

Zauważając, że N 1 jest po prostu śledem iloczynu tensora F µν i transpozycji<br />

tensora F µν , który jest antysymetryczny, dostajemy<br />

inv1 = (-F*FT).trace()<br />

show(inv1)<br />

Ñ 1 = 2 B 2 1 + 2 B 2 2 + 2 B 2 3 − 2 E2 1<br />

c 2 − 2 E2 2<br />

c 2 − 2 E2 3<br />

c 2 . (25)<br />

By dostać drugi z niezmienników zdefiniujmy w sagu tensor Levi-Civity o<br />

wskaźnikach kontrawariantnych:<br />

def eps(i1,i2,i3,i4):<br />

if i1==i2 or i1==i3 or i1==i4 or i2==i3 or i2==i4 or i3==i4:<br />

return 0<br />

else:<br />

if (i1==0 and i2==1 and i3==2 and i4==3) or (i1==0 and i2==2 and i3==3 and i4==1) or<br />

return 1<br />

else:<br />

return -1<br />

i pomnóżmy go przez tensor F µν by otrzymać drugi z niezmienników<br />

8


inv2 = 0<br />

for l1 in range(0,4):<br />

for l2 in range(0,4):<br />

for l3 in range(0,4):<br />

for l4 in range(0,4):<br />

inv2=inv2+eps(l1,l2,l3,l4)*FT[l1,l2]*FT[l3,l4]<br />

show(inv2)<br />

Ñ 2 = − 8 B 1E 1<br />

c<br />

− 8 B 2E 2<br />

c<br />

− 8 B 3E 3<br />

c<br />

By nie pisać zbyt wielu stałych przedefiniujmy te niezmienniki<br />

inv1p = inv1/2<br />

inv2p = (-inv2/8*c).full_simplify()<br />

show(inv1p)<br />

show(inv2p)<br />

. (26)<br />

N 1 = B 2 1 + B 2 2 + B 2 3 − E2 1<br />

c 2 − E2 2<br />

c 2 − E2 3<br />

c 2 , N 2 = B 1 E 1 + B 2 E 2 + B 3 E 3 (27)<br />

lub krócej<br />

N 1 = B 2 − E 2 /c 2 , N 2 = B · E . (28)<br />

Zauważmy tutaj, że N 2 można zapisać jako pochodną zupełną<br />

Ñ 2 = ɛ µναβ F µν F αβ<br />

= 4ɛ µναβ [∂ µ A ν ∂ α A β + A ν ∂ µ ∂ α A β ]<br />

= 4∂ µ<br />

[<br />

ɛ µναβ A ν ∂ α A β<br />

]<br />

, (29)<br />

gdzie w drugiej linii dodaliśmy zero (drugi człon w nawiasie). Jak wiadomo<br />

dodanie pochodnej zupełnej do lagrangianu nie zmienia równań ruchu, więc do<br />

zbudowania lagrangianu został nam tylko niezmiennik N 1 . Zajmiemy się tym<br />

później.<br />

Teraz zobaczmy jakie wnioski możemy wyciągnąć z wiedzy, że N 1 i N 2 są<br />

niezmiennikami relatywistycznymi:<br />

• Jeżeli pola E i B są prostopadłe w jakimś wybranym układzie odniesienia<br />

(N 2 = 0) to są prostopadłe w każdym układzie odniesienia<br />

• Jeżeli |E/c| > |B| w jakimś wybranym układzie odniesienia (N 1 < 0) to<br />

jest to prawdziwe w każdym układzie odniesienia<br />

9


• Jeżeli pola E i B nie są prostopadłe w jakimś wybranym układzie odniesienia<br />

(N 2 ≠ 0) to można znaleźć układ odniesienia, w którym są one<br />

równoległe (lub antyrównoległe)<br />

Dwa pierwsze wnioski w oczywisty sposób wynikają z postaci niezmienników,<br />

choć bez wiedzy że N 1 i N 2 są niezmiennikami <strong>ich</strong> pokazanie nie jest proste. By<br />

wykazać punkt trzy zauważmy, że by istniał układ odniesienia, w którym pola<br />

E i B są równoległe (lub antyrównoległe) powinno zachodzić<br />

N 1 = B 2 − E 2 /c 2 , N 2 = (−)BE , (30)<br />

gdzie E = |E| i B = |B| są długościami wektorów E i B. Znak minus pojawia<br />

się gdy niezmiennik N 2 jest ujemny. Wtedy pola E i B są antyrównoległe. Możliwość<br />

znalezienia takiego układu wymaga by układ równań (30) miał zawsze<br />

rozwiązania dodatnie (E i B są długościami wektorów), niezależnie od wielkości<br />

niezmienników N 1 i N 2 . Rozwiążmy te równania korzystając z sage’a<br />

rr1 = N1 == BB^2 -EE^2/c^2<br />

rr2 = N2 == BB*EE<br />

rr3 = N2 == -BB*EE<br />

rozwiazania1 = solve([rr1,rr2],EE,BB)<br />

rozwiazania2 = solve([rr1,rr3],EE,BB)<br />

show(rozwiazania1[0])<br />

show(rozwiazania1[1])<br />

show(rozwiazania2[0])<br />

show(rozwiazania2[1])<br />

gdzie rozwiązaliśmy osobno układ równań dla przypadku N 2 dodatniego<br />

⎡<br />

⎣EE = − 1 √<br />

√<br />

−N 1 c<br />

2<br />

2 + N1 2c2 + 4 N2 2c√ 2, BB = −<br />

⎡<br />

⎡<br />

⎣EE = 1 2<br />

√<br />

i N 2 ujemnego<br />

⎣EE = − 1 2<br />

√<br />

−N 1 c 2 +<br />

−N 1 c 2 +<br />

√<br />

N 2 1 c2 + 4 N 2 2 c√ 2, BB =<br />

√<br />

N 2 1 c2 + 4 N 2 2 c√ 2, BB =<br />

⎡<br />

⎣EE = 1 √<br />

√<br />

−N 1 c<br />

2<br />

2 + N1 2c2 + 4 N2 2c√ 2, BB = −<br />

√<br />

2N2<br />

√<br />

−N 1 c + √ N1 2c2 + 4 N2<br />

2<br />

√<br />

2N2<br />

√<br />

−N 1 c + √ N 2 1 c2 + 4 N 2 2<br />

√<br />

2N2<br />

√<br />

−N 1 c + √ N1 2c2 + 4 N2<br />

2<br />

√<br />

2N2<br />

√<br />

−N 1 c + √ N 2 1 c2 + 4 N 2 2<br />

√ c<br />

⎤<br />

⎦<br />

√ c<br />

⎤<br />

⎦ (31)<br />

√ c<br />

⎤<br />

⎦<br />

√ c<br />

⎤<br />

⎦ . (32)<br />

10


Jak łatwo zauważyć w obydwu przypadkach druga para rozwiązań daje rozwiązania<br />

dodatnie niezależnie od wartości niezmienników N 1 i N 2 . Gdy interesuje<br />

nas rozwiązanie zagadnienia znalezienia toru cząstki naładowanej w polach<br />

magnetycznym i elektrycznym, z wyprowadzonych własności wynika, że można<br />

rozwiązać to zagadnienie tylko dla dwóch przypadków, gdy pola E i B są równoległe<br />

i gdy pola E i B są prostopadłe. W przypadku gdy interesuje nas rozwiązanie<br />

w układzie gdy pola są dowolnie skierowane szukamy najpierw układu<br />

gdzie pola są równoległe i transformujemy znane rozwiązanie dla pól równoległych<br />

do wyjściowego układu. Pamiętając jak skomplikowane było znalezienie<br />

rozwiązania dla pól równoległych możemy sobie wyobrazić, że zaproponowana<br />

metoda będzie prostsza od próby bezpośredniego rozwiązania równań ruchu dla<br />

dowolnie skierowanych pól.<br />

4 Bibliografia<br />

[1] “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the<br />

CNGS beam.” OPERA Collaboration (T. Adam et al.). Sep 2011.; arXiv:1109.4897<br />

11

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!