電磁場テンソル

電磁場テンソル(でんじばテンソル)とは、電磁場相対性理論に基づいた4次元時空の形式で記述した2階の反対称テンソル場である。以後、相対論と言えば、特に断りがなければ特殊相対性理論を指す。

定義

電磁場の強度(field strengthF は二階のテンソル

F μ ν = μ A ν ν A μ {\displaystyle F_{\mu \nu }=\partial _{\mu }A_{\nu }-\partial _{\nu }A_{\mu }}

と定義される[1]。 ここで A は相対論的な4元ベクトル電磁ポテンシャル

A μ = ( ϕ c , A ) ,   A μ = η μ ν A ν = ( ϕ c , A ) {\displaystyle A^{\mu }=\left({\frac {\phi }{c}},{\boldsymbol {A}}\right),~A_{\mu }=\eta _{\mu \nu }A^{\nu }=\left(-{\frac {\phi }{c}},{\boldsymbol {A}}\right)}

である[註 1]。 また、微分も相対論的な4元ベクトル

μ = x μ = ( 1 c t , ) {\displaystyle \partial _{\mu }={\frac {\partial }{\partial x^{\mu }}}=\left({\frac {1}{c}}{\frac {\partial }{\partial t}},\nabla \right)}

である。

定義から電磁場テンソルは明らかに反対称テンソルである。従って独立成分は6つある。 これは3次元空間のベクトル場である電場の強度 E磁束密度 B の各成分に対応する。 電場の強度と磁束密度は3次元空間の電磁ポテンシャルによって

E = ϕ A t {\displaystyle {\boldsymbol {E}}=-\nabla \phi -{\frac {\partial {\boldsymbol {A}}}{\partial t}}}

B = × A {\displaystyle {\boldsymbol {B}}=\nabla \times {\boldsymbol {A}}}

と表される。 あるいは各成分毎に

E j / c = j A 0 0 A j = F 0 j {\displaystyle E_{j}/c=\partial _{j}A_{0}-\partial _{0}A_{j}=-F_{0j}}

B i ϵ i j k = j A k k A j = F j k {\displaystyle B_{i}\epsilon _{ijk}=\partial _{j}A_{k}-\partial _{k}A_{j}=F_{jk}}

と書くことが出来る[註 1]。 具体的には

( F 01 , F 02 , F 03 ) = ( E x / c , E y / c , E z / c ) {\displaystyle (F_{01},F_{02},F_{03})=(-E_{x}/c,-E_{y}/c,-E_{z}/c)}

( F 23 , F 31 , F 12 ) = ( B x , B y , B z ) {\displaystyle (F_{23},F_{31},F_{12})=(B_{x},B_{y},B_{z})}

である[註 1]。上付きの F μ ν = η μ ρ η ν σ F ρ σ {\displaystyle F^{\mu \nu }=\eta ^{\mu \rho }\eta ^{\nu \sigma }F_{\rho \sigma }}

( F 01 , F 02 , F 03 ) = ( E x / c , E y / c , E z / c ) {\displaystyle (F^{01},F^{02},F^{03})=(E_{x}/c,E_{y}/c,E_{z}/c)}

( F 23 , F 31 , F 12 ) = ( B x , B y , B z ) {\displaystyle (F^{23},F^{31},F^{12})=(B_{x},B_{y},B_{z})}

となる[註 1]。それぞれ行列の形で表せば

( F μ ν ) = [ 0 E x / c E y / c E z / c E x / c 0 B z B y E y / c B z 0 B x E z / c B y B x 0 ] , {\displaystyle (F_{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&-E_{x}/c&-E_{y}/c&-E_{z}/c\\E_{x}/c&0&B_{z}&-B_{y}\\E_{y}/c&-B_{z}&0&B_{x}\\E_{z}/c&B_{y}&-B_{x}&0\\\end{bmatrix}},}

( F μ ν ) = [ 0 E x / c E y / c E z / c E x / c 0 B z B y E y / c B z 0 B x E z / c B y B x 0 ] {\displaystyle (F^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&E_{x}/c&E_{y}/c&E_{z}/c\\-E_{x}/c&0&B_{z}&-B_{y}\\-E_{y}/c&-B_{z}&0&B_{x}\\-E_{z}/c&B_{y}&-B_{x}&0\\\end{bmatrix}}}

となる。

双対テンソル

完全反対称テンソル ε を用いれば、電磁場の強度 F に双対なテンソル

F ~ μ ν = 1 2 ϵ μ ν ρ σ F ρ σ {\displaystyle {\tilde {F}}^{\mu \nu }={\frac {1}{2}}\epsilon ^{\mu \nu \rho \sigma }F_{\rho \sigma }}

が定義される[2]。 具体的には

( F ~ 01 , F ~ 02 , F ~ 03 ) = ( F 23 , F 31 , F 12 ) = ( B x , B y , B z ) {\displaystyle ({\tilde {F}}^{01},{\tilde {F}}^{02},{\tilde {F}}^{03})=(F_{23},F_{31},F_{12})=(B_{x},B_{y},B_{z})}

( F ~ 23 , F ~ 31 , F ~ 12 ) = ( F 01 , F 02 , F 03 ) = ( E x / c , E y / c , E z / c ) {\displaystyle ({\tilde {F}}^{23},{\tilde {F}}^{31},{\tilde {F}}^{12})=(F_{01},F_{02},F_{03})=(-E_{x}/c,-E_{y}/c,-E_{z}/c)}

であり、行列の形で表せば

( F ~ μ ν ) = [ 0 B x B y B z B x 0 E z / c E y / c B y E z / c 0 E x / c B z E y / c E x / c 0 ] {\displaystyle ({\tilde {F}}^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&B_{x}&B_{y}&B_{z}\\-B_{x}&0&-E_{z}/c&E_{y}/c\\-B_{y}&E_{z}/c&0&-E_{x}/c\\-B_{z}&-E_{y}/c&E_{x}/c&0\\\end{bmatrix}}}

となる。

媒質中の電磁場

媒質中での電磁場を表す電束密度 D磁場の強度 H は、電磁場の強度と同様に二階のテンソル G によって相対論的な形式で記述される。 それぞれの成分は具体的には

( G 01 , G 02 , G 03 ) = ( D x , D y , D z ) {\displaystyle (G^{01},G^{02},G^{03})=(D_{x},D_{y},D_{z})}

( G 23 , G 31 , G 12 ) = ( H x / c , H y / c , H z / c ) {\displaystyle (G^{23},G^{31},G^{12})=(H_{x}/c,H_{y}/c,H_{z}/c)}

である[3]。このテンソル G はサブ電磁テンソルとも呼ばれる。 サブ電磁テンソル G は電磁場の強度 F

G μ ν = 1 Z 0 F μ ν + P μ ν = 1 c μ 0 F μ ν + P μ ν {\displaystyle G^{\mu \nu }={\frac {1}{Z_{0}}}F^{\mu \nu }+P^{\mu \nu }={\frac {1}{c\mu _{0}}}F^{\mu \nu }+P^{\mu \nu }}

で関係付けられる。ここで P は分極テンソルであり、その成分は誘電分極 P磁化 M である。 具体的には

( P 01 , P 02 , P 03 ) = ( P x , P y , P z ) {\displaystyle (P^{01},P^{02},P^{03})=(P_{x},P_{y},P_{z})}

( P 23 , P 31 , P 12 ) = ( M x / c , M y / c , M z / c ) {\displaystyle (P^{23},P^{31},P^{12})=(-M_{x}/c,-M_{y}/c,-M_{z}/c)}

である。 サブ電磁テンソル G と分極テンソル P をそれぞれ行列の形で表せば

( G μ ν ) = [ 0 D x D y D z D x 0 H z / c H y / c D y H z / c 0 H x / c D z H y / c H x / c 0 ] {\displaystyle (G^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&D_{x}&D_{y}&D_{z}\\-D_{x}&0&H_{z}/c&-H_{y}/c\\-D_{y}&-H_{z}/c&0&H_{x}/c\\-D_{z}&H_{y}/c&-H_{x}/c&0\\\end{bmatrix}}}

( P μ ν ) = [ 0 P x P y P z P x 0 M z / c M y / c P y M z / c 0 M x / c P z M y / c M x / c 0 ] {\displaystyle (P^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&P_{x}&P_{y}&P_{z}\\-P_{x}&0&-M_{z}/c&M_{y}/c\\-P_{y}&M_{z}/c&0&-M_{x}/c\\-P_{z}&-M_{y}/c&M_{x}/c&0\\\end{bmatrix}}}

である。

球座標表示

球面座標系 (ct, r, θ, φ) による4元ポテンシャルの成分表示は

A μ = ( ϕ c , A r , r A θ , r A φ sin θ ) {\displaystyle A_{\mu }=\left(-{\frac {\phi }{c}},A_{r},rA_{\theta },rA_{\varphi }\sin \theta \right)}

であり、電磁場強度 F として

( F μ ν ) = [ 0 E r / c r E θ / c r E φ sin θ / c E r / c 0 r B φ r B θ sin θ r E θ / c r B φ 0 r 2 B r sin θ r E φ sin θ / c r B θ sin θ r 2 B r sin θ 0 ] {\displaystyle (F_{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&-E_{r}/c&-rE_{\theta }/c&-rE_{\varphi }\sin \theta /c\\E_{r}/c&0&rB_{\varphi }&-rB_{\theta }\sin \theta \\rE_{\theta }/c&-rB_{\varphi }&0&r^{2}B_{r}\sin \theta \\rE_{\varphi }\sin \theta /c&rB_{\theta }\sin \theta &-r^{2}B_{r}\sin \theta &0\\\end{bmatrix}}}

が得られる。 平坦な時空のミンコフスキー計量とその逆行列は球座標において

η μ ν = diag ( 1 , 1 , r 2 , r 2 sin 2 θ ) {\displaystyle \eta _{\mu \nu }=\operatorname {diag} (-1,1,r^{2},r^{2}\sin ^{2}\theta )}

η μ ν = diag ( 1 , 1 , 1 r 2 , 1 r 2 sin 2 θ ) {\displaystyle \eta ^{\mu \nu }=\operatorname {diag} (-1,1,{\tfrac {1}{r^{2}}},{\tfrac {1}{r^{2}\sin ^{2}\theta }})}

であり、電磁場強度の添え字を上げると

( F μ ν ) = [ 0 E r / c E θ / c r E φ / c r sin θ E r / c 0 B φ / r B θ / r sin θ E θ / c r B φ / r 0 B r / r 2 sin θ E φ / c r sin θ B θ / r sin θ B r / r 2 sin θ 0 ] {\displaystyle (F^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&E_{r}/c&E_{\theta }/cr&E_{\varphi }/cr\sin \theta \\-E_{r}/c&0&B_{\varphi }/r&-B_{\theta }/r\sin \theta \\-E_{\theta }/cr&-B_{\varphi }/r&0&B_{r}/r^{2}\sin \theta \\-E_{\varphi }/cr\sin \theta &B_{\theta }/r\sin \theta &-B_{r}/r^{2}\sin \theta &0\\\end{bmatrix}}}

となる。

例えば、原点に点電荷 q が存在するときの電磁場テンソルは

( F μ ν ) = [ 0 1 4 π ϵ 0 c q r 2 0 0 1 4 π ϵ 0 c q r 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] {\displaystyle (F^{\mu \nu })={\begin{bmatrix}0&{\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}c}}{\frac {q}{r^{2}}}&0&0\\-{\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}c}}{\frac {q}{r^{2}}}&0&0&0\\0&0&0&0\\0&0&0&0\\\end{bmatrix}}}

で表される。

マクスウェルの方程式

電磁場テンソルによって、相対論的な形でマクスウェルの方程式を記述することができる。 定義からビアンキ恒等式

ρ F μ ν + μ F ν ρ + ν F ρ μ = 0 {\displaystyle \partial _{\rho }F_{\mu \nu }+\partial _{\mu }F_{\nu \rho }+\partial _{\nu }F_{\rho \mu }=0}

が成り立つ[4]。 双対テンソルを用いれば

μ F ~ μ ν = 1 2 ϵ μ ν ρ σ μ F ρ σ = 0 {\displaystyle \partial _{\mu }{\tilde {F}}^{\mu \nu }={\frac {1}{2}}\epsilon ^{\mu \nu \rho \sigma }\partial _{\mu }F_{\rho \sigma }=0}

と表すことも出来る[4]。 この式は添え字 ν = 0,1,2,3 についての4つの方程式であり、それぞれ

B = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {B}}=0}

× E + B t = 0 {\displaystyle \nabla \times {\boldsymbol {E}}+{\frac {\partial {\boldsymbol {B}}}{\partial t}}=\mathbf {0} }

と対応する。

自由空間における電磁場の運動方程式は

μ F μ ν = Z 0 c j ν = μ 0 j ν {\displaystyle \partial _{\mu }F^{\mu \nu }=-{\frac {Z_{0}}{c}}\,j^{\nu }=-\mu _{0}j^{\nu }}

と表される。 ここで j4元電流密度である。 この式は添え字 ν = 0,1,2,3 についての4つの方程式であり、それぞれ

E = ρ ϵ 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {E}}={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}}

× B 1 c 2 E t = μ 0 j {\displaystyle \nabla \times {\boldsymbol {B}}-{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial {\boldsymbol {E}}}{\partial t}}=\mu _{0}{\boldsymbol {j}}}

と対応する。

媒質中の運動方程式

媒質中の運動方程式は

μ G μ ν = 1 c j ν {\displaystyle \partial _{\mu }G^{\mu \nu }=-{\frac {1}{c}}\,j^{\nu }}

と表される。 成分ごとにそれぞれ

D = ρ {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {D}}=\rho }

× H D t = j {\displaystyle \nabla \times {\boldsymbol {H}}-{\frac {\partial {\boldsymbol {D}}}{\partial t}}={\boldsymbol {j}}}

である。

ローレンツ力

電磁場テンソルは荷電粒子に作用するローレンツ力を相対論的に記述する際に現れる。 相対論的な粒子の位置を X = (ct, r) で表すとき、電荷 q を帯びた荷電粒子に作用するローレンツ力は

p ˙ μ = q X ˙ ν F ν μ ( X ) {\displaystyle {\dot {p}}_{\mu }=-q{\dot {X}}^{\nu }F_{\nu \mu }(X)}

となる[1]。 ここで p は粒子の4元運動量である。ドットは運動のパラメータによる微分である。

一般相対論

時空の曲率、すなわち重力場がある場合に、偏微分はテンソルとはならず、レヴィ・チヴィタ接続を導入して共変微分への置き換えが必要となる。しかし、電磁場強度 F は偏微分による定義を変更することなくテンソルである。反対称性により共変微分の接続が相殺されるため

F μ ν = D μ A ν D ν A μ = μ A ν ν A μ {\displaystyle F_{\mu \nu }={\mathcal {D}}_{\mu }A_{\nu }-{\mathcal {D}}_{\nu }A_{\mu }=\partial _{\mu }A_{\nu }-\partial _{\nu }A_{\mu }}

となる[5]。ビアンキ恒等式は定義から成り立つので変更を要しないが、運動方程式は

D μ F μ ν = Z 0 c j ν {\displaystyle {\mathcal {D}}_{\mu }F^{\mu \nu }=-{\frac {Z_{0}}{c}}\,j^{\nu }}

であり[5]、共変微分への置き換えが必要となる。

脚注

[脚注の使い方]

注釈

  1. ^ a b c d ここではミンコフスキー計量の符号を η=diag(-1,+1,+1,+1) に選んでいる。

出典

  1. ^ a b ランダウ, リフシッツ pp.67-69, §23.電磁場テンソル
  2. ^ ジャクソン 819頁
  3. ^ ジャクソン 820頁
  4. ^ a b ランダウ, リフシッツ pp.74-75, §26.マクスウェル方程式の第1の組
  5. ^ a b ランダウ, リフシッツ pp.285-287, §90.

参考文献

関連項目

基本
静電気学
静磁気学
電気力学
電気回路
共変定式
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