Physic Labs

電磁力学

相対論的電磁気学

2部構成のシミュレーションで、ローレンツ・ブーストが電場と磁場を混ぜる様子を調べます。因子 γ=1/1−β2\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2} と場の変換式 E′=γ(E+v×B)E' = \gamma(E + v\times B), B′=γ(B−v×E/c2)B' = \gamma(B - v\times E/c^2) を確かめます。

研究

器具

  • 2つの3Dキャンバス:第1部「Điện trường và từ trường」、第2部「Biến đổi Lorentz」(ドラッグまたは矢印キーで回転)
  • 第1部で場の配置を切り替える「Mô hình A」/「Mô hình B」ボタン
  • スライダー「Biên độ / nguồn」「Bước sóng / tỉ lệ」;「Tạm dừng」ボタン
  • 第2部でブーストを制御するスライダー「Tần số / vận tốc」「Góc nhìn / hệ số」
  • 読み取り欄「γ = 1/√(1−β²)」と「E′, B′ trộn dưới boost; góc điều khiển θ」

手順

  1. 「Mô hình A」で場の幾何を調べる

    第1部で「Mô hình A」を押し、「Biên độ / nguồn」と「Bước sóng / tỉ lệ」を調整します。読み取り欄「biên độ chuẩn hóa a = …, tham số k = …」を追い、キャンバスを回して E ベクトル(橙 — 正の成分)と B ベクトル(青緑 — 逆向き)を見ます。「Tạm dừng」で配置を記録します。

  2. 「Mô hình B」と比較する

    「Mô hình B」を押し、同じ a と k の値で観察を繰り返します。場の幾何の変化に注目します。制御量は同じでもベクトルの分布が異なります。これは、異なる2つの場の配置が2つの慣性系から見た同一の場であり得ることの伏線です。

  3. 「Biến đổi Lorentz」部でブーストを制御する

    第2部で「Tần số / vận tốc」を動かして速度パラメータ(読み値は Hz 表示)を変え、「Góc nhìn / hệ số」で θ を設定します。「E′, B′ trộn dưới boost; góc điều khiển θ = …°」の行を観察します。ブーストが大きくなると E′ と B′ の成分が E′=γ(E+v×B)E' = \gamma(E + v\times B), γ=1/1−β2\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2} に従って混ざり合います。

  4. 極限を予測し結論づける

    「Tần số / vận tốc」を最小値に戻します。β → 0 なら γ → 1 で E–B の混合がほとんどないと予想し、読み値と比べます。次に最大ブーストにして強い混合を観察します。結論:E と B は独立した量ではなく、各慣性系における電磁テンソルの成分です。

シミュレーション

実験の歴史

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1865年に発表した方程式系で電気・磁気・光を統一しました。マクスウェル方程式を不変に保つ変換——後のローレンツ変換——は、マイケルソン–モーリーの結果を説明するためヘンドリック・ローレンツが1904年に完成させました。 1905年、アルベルト・アインシュタインは論文『運動する物体の電気力学について』で、この変換を相対性原理と光速の2つの公準に基づかせ、特殊相対論を作りました。1908年、ヘルマン・ミンコフスキーは電磁気学を4次元時空で書き直し、電場と磁場が1つのテンソルの成分であることを示しました。したがってブーストは E と B を混ぜてもマクスウェルの構造を変えません。

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