Saturday, May 4, 2013

如果牵涉到电荷与电场,即使是低速情况,也必须用洛伦茨变换——即电场和磁场并非独立的物理量,而是四维电磁场张量的不同分量。在时空坐标做“旋转变换”的时候,其分量可以从一种“转换”成另一种



磁流体方程的伽利略不变性
已有 877 次阅读 2012-8-10 10:56 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记|关键词:磁流体 伽利略不变性 洛伦茨变换 Alfven波
暑期学校答疑的时候,讲磁流体方程在伽利略变换下保持不变,即满足伽利略不变性。物理上,这是个很有意思的问题,在这里再提一下。
 
理想磁流体(ideal MHD)方程组是满足伽利略不变性的(参见笔者《高等等离子体物理讲义》)。Alfven波是从ideal MHD方程得到的,其色散关系也应该满足伽利略不变性(即频率简单加上一个多普勒频移)。但是,Alfven波是典型的电磁波。而电磁相互作用的规律不满足伽利略不变性,需要用洛伦茨变换。
 
问题在哪里?
 
有人说MHD的基本假设就是Alfven波速度远远小于光速,所以可以使用伽利略变换。这确实是为什么理想MHD方程组可以满足伽利略变换不变性的原因。
 
但是理想等离子体的磁流体方程组是没有电场和电荷的。Alfven波的电矢量是从位移(速度)扰动得到的。利用了
 
        E + u X B/c=0
 
的关系。而这个关系是典型的洛伦茨变换的结果。
 
 
举一个简单的例子:
 
一个静止的电荷q,周围产生一个静电场E
 
但是在一个相对这个静止系以常速度u运动的坐标系里,即使这个速度远远小于光速,也应该看到一个-qu的电流及其产生的一个磁场B
 
这显然不满足伽利略不变性。
 
所以如果牵涉到电荷与电场,即使是低速情况,也必须用洛伦茨变换——即电场和磁场并非独立的物理量,而是四维电磁场张量的不同分量。在时空坐标做“旋转变换”的时候,其分量可以从一种“转换”成另一种。
 
如果这个速度u很低,可以利用洛伦兹变换的低速近似
 
        E = E' + (- u) X B'/c  = E' - u X B'/c
 
得到在运动系里看到的“电场”E' 以及磁场B'
 
所以如果只讨论色散关系,Alfven波确实满足伽利略不变性。
 
但是如果考虑波的电磁性质,即使是磁流体波,也不满足伽利略不变性。


静止物体动量是0,德布罗意波波长是无穷大,但为什么观察不到静止的宏观物体的德布罗意波的衍射现象?
学源网友0回答:
因为运动是绝对的而静止是相对的; 微观物体容易有相对于 我们的高速; 宏观物体却不能。
学源网友1回答:
衍射现象是在波的传播过程中出现的,即运动的时候才能看见。如果物体已经静止(相对于你选的参考系),那么它就不再会有波动了,因为波动也是运动的一种。当然如果物体的速度无穷小,时间选取无穷多年时也许可以看到衍射现象。

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