阿布拉罕-勞侖茲力(Abraham-Lorentz force)是一加速帶電粒子因為粒子放射出電磁輻射而所受到的平均力。其適用在粒子行進速度不快的時候。若在相對論性速度下,此力則稱作是阿布拉罕-勞侖茲-狄拉克力(Abraham-Lorentz-Dirac force)。
阿布拉罕-勞侖茲力問題的解被認為預測了「來自於未來的訊號影響了現在」這樣的結果,而挑戰了直觀上的因果律。試圖解決此一問題的涉及到許多近代物理的領域,雖然Yaghjian曾展試過這問題的解實際上相當簡單。
定義與描述
數學上,阿布拉罕-勞侖茲力可寫為:
- \mathbf{F}_\mathrm{rad} = \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \mathbf{\dot{a}} = \frac{ q^2}{6 \pi \epsilon_0 c^3} \mathbf{\dot{a}} \,(SI單位制)
- \mathbf{F}_\mathrm{rad} = { 2 \over 3} \frac{ q^2}{ c^3} \mathbf{\dot{a}} \,(cgs單位制)
其中:
:F是力,
:\mathbf{\dot{a}}是加加速度(加速度的時間导数)。
:[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0 μ0] 和[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ep0 ε0] 是真空磁导率和真空电容率,
:[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c c] 是真空中的光速,
:q是电荷量。
當速度很慢時。根據拉莫爾方程式,一加速電荷放出輻射,而輻射會將動量自電荷帶走。既然動量是守恆的,電荷會被推往與輻射釋放方向相反的方向。阿布拉罕-勞侖茲力即為因於輻射釋放而施加在一加速電荷上的平均力。
背景
古典電動力學中,問題通常可以分為兩類:
問題中,產生場的電荷與電流源已指定,要計算出場;
問題中,場已指定,要計算出電荷的運動。
在一些物理學領域中,如電漿物理學,場由源產生,而源的運動可以自洽的解出。然而在這樣的場合中,源的運動常是從所有其他的源產生的場來計算。很少去計算一粒子(源)所產生的場,對於同一粒子造成什麼樣的運動影響。理由有兩個層次:
忽略「自身場(self-fields)」通常仍可得到足夠精確的答案,足以用在許多應用上;
包含自身場會導致物理學中目前未解決的問題,關係到物質與能量的本質。
由自身場所衍生的概念問題在標準的研究生教科書有所著墨。(Jackson電動力學)
推導
我们从点电荷辐射的拉莫爾方程式开始:
:P = \frac{\mu_0 q^2 a^2}{6 \pi c}.
如果我们假设带电粒子的运动是周期性的,则阿布拉罕-洛伦兹力对粒子所做的功等于拉莫功率从\tau_1到\tau_2的积分:
:\int_{\tau_1}^{\tau_2} \mathbf{F}_\mathrm{rad} \cdot \mathbf{v} dt = \int_{\tau_1}^{\tau_2} -P dt = - \int_{\tau_1}^{\tau_2} \frac{\mu_0 q^2 a^2}{6 \pi c} dt = - \int_{\tau_1}^{\tau_2} \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \frac{d \mathbf{v}}{dt} \cdot \frac{d \mathbf{v}}{dt} dt.
我们可以用分部积分法来计算以上的积分。如果我们假设运动是周期性的,则表达式的第一项为零:
:\int_{\tau_1}^{\tau_2} \mathbf{F}_\mathrm{rad} \cdot \mathbf{v} dt = - \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \frac{d \mathbf{v}}{dt} \cdot \mathbf{v} \bigg|_{\tau_1}^{\tau_2} + \int_{\tau_1}^{\tau_2} \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \frac{d^2 \mathbf{v}}{dt^2} \cdot \mathbf{v} dt = -0 + \int_{\tau_1}^{\tau_2} \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \mathbf{\dot{a}} \cdot \mathbf{v} dt
因此,我们有:
:\mathbf{F}_\mathrm{rad} = \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \mathbf{\dot{a}}
来自未来的讯号
下面展示了一种会导致惊人结果的经典分析方法。可以看到,经典理论正在挑战因果律的标准图景,表明要么因果律被破坏,要么理论需要扩展。在本例中,理论的扩展包括量子力学和它的相对论版本量子场论。参考Rohrlich关于“物理学理论遵循有效性限制的重要性”的介绍。
对于一个受到外力 \mathbf{F}_\mathrm{ext},我们有
: m \dot {\mathbf{v} } = \mathbf{F}_\mathrm{rad} + \mathbf{F}_\mathrm{ext} = m t_0 \ddot { \mathbf} + \mathbf{F}_\mathrm{ext}
其中:
: t_0 = \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi m c}
公式经过整理后,可以得到:
: m \dot {\mathbf{v} } = {1 \over t_0} \int_t^{\infty} \exp \left( - {t'-t \over t_0 }\right ) \, \mathbf{F}_\mathrm{ext}(t') \, dt'
这个积分从当前延续到无穷远的未来。因而未来的作用力将影响到粒子当前的加速度。未来的数值按以下因子加权:
: \exp \left( -{t'-t \over t_0 }\right )
随着未来超过 t_0 时间的增长而迅速减小。因此,大概在未来 t_0 时间段内的信号会影响到当前的加速度。对于电子来说,这个时间段大约是 10^{-24} 秒,相当于光线穿越电子“尺寸”所需的时间。
相關條目
*輻射反作用力(Radiation reaction)
參考文獻
書目
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*F. Rohrlich, Am. J. Phys. 65, 1051 (1997).
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