Celeritas Lucis et Undae Electromagneticae in Spatio Vacuo
Summarium:
In hac lectione recognoscemus quomodo, ex comportatione undarum electromagneticarum in vacuo, obtinetur ex resolutione aequationum Maxwellianarum electromagnetismi in spatio vacuo. Quamobrem habetur celeritatem propagationis undarum electromagneticarum in vacuo constantem esse quae nullo systemate inertiali refertur.
PROPOSITA DISCENDI
Post hanc lectionem discipulus poterit:
- Demonstrare nexum inter aequationes Maxwellianas in vacuo et propagationem undarum electromagneticarum.
- Rationem reddere cur celeritas lucis in vacuo constans sit et quomodo hoc transformationibus Galilaeanis adversetur.
INDEX
Aequationes Maxwellianae in vacuo
Propagatio undarum electromagneticarum
Celeritas lucis est constans universalis
Conclusiones
Aequationes Maxwellianae in vacuo
Electromagnetismus spatii vacui quasdam proprietates habet quae commemorandae sunt. Fit ut aequationes Maxwellianae quae campos electricos et magneticos describunt, in vacuo hanc formam accipiant:
\begin{array}{rlr} \vec{\nabla} \cdot \vec{E} &= 0 & [1]\\ \vec{\nabla} \cdot \vec{B} &= 0 & [2]\\ \vec{\nabla} \times \vec{E} &\displaystyle = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} & [3]\\ \vec{\nabla} \times \vec{B} &\displaystyle = \mu_0\epsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} & [4] \end{array}
Ex his confirmari potest perturbationem quamlibet in campis electricis et magneticis propagari velut undam in spatio vacuo. Quomodo hoc scimus? Quia ex analysi harum expressionum aequatio undae pro ambobus campis obtinetur.
Propagatio undarum electromagneticarum
Ex [4] et [5] habetur campum electricum sequentem relationem explere:
\begin{array}{llr} \vec{\nabla} \times (\vec{\nabla} \times \vec{E}) &= \displaystyle \vec{\nabla} \times \left( -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \right) &\\ &=\displaystyle -\frac{\partial}{\partial t}\left(\vec{\nabla} \times \vec{B}\right) = -\frac{\partial}{\partial t} \left(\mu_0\epsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \right) = -\mu_0\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2}& [6] \end{array}
Deinde, sicut omne campus vectorialis relationem explere solet:
\vec{\nabla} \times \left(\vec{\nabla} \times \vec{A} \right) = \vec{\nabla}(\vec{\nabla} \cdot \vec{A}) - \nabla^2 \vec{A},\;\;\;[7]
Ex [2, 6] et [7] scribi potest:
\begin{array}{rll} &\displaystyle \vec{\nabla}(\underbrace{\vec{\nabla} \cdot \vec{E}}_{=0}) - \nabla^2 \vec{E} = \vec{\nabla} \times \left(\vec{\nabla} \times \vec{E} \right) = -\mu_0\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2} & \\ \equiv &\displaystyle \color{blue}{\nabla^2 \vec{E} = \mu_0\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2}} & [8] \end{array}
Hoc quod caeruleo notatum apparet est ipsa aequatio propagationis undarum pro campo electrico.
Similiter omnino fit pro campo magnetico.
\begin{array}{ll} \vec{\nabla} \times (\vec{\nabla} \times \vec{B}) &= \displaystyle \vec{\nabla} \times \left(\mu_0\epsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \right)\\ &=\displaystyle \mu_0\epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t}\left(\vec{\nabla} \times \vec{E}\right) = \mu_0\epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} \left(- \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \right) = -\mu_0\epsilon_0 \displaystyle \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2} \end{array}
et deinde
\begin{array}{rll} & \displaystyle \vec{\nabla}(\underbrace{\vec{\nabla} \cdot \vec{B}}_{=0}) - \nabla^2 \vec{B} = \vec{\nabla} \times \left(\vec{\nabla} \times \vec{B} \right) = -\mu_0\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2} &\\ \equiv &\color{blue}{\nabla^2 \vec{B} = \displaystyle \mu_0\epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2}}& [9] \end{array}
Ex hoc dicitur campos electromagneticos in vacuo multos modos posse habere, et una familia horum modorum formam undae electromagneticae accipit quae per spatium et tempus propagatur.
Celeritas lucis est constans universalis
Aliter dictum, perturbationes in campis electromagneticis semper propagantur celeritate c = 1/\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}\approx 3\cdot 10^8[m/s], quae est celeritas lucis in vacuo. Experimentis observatur hanc celeritatem eandem esse omnibus referentialibus inertialibus, quod non congruit cum iis quae obtinerentur si transformationes Galilaeanae adhiberentur, ut ostenditur in Transformationes Galilaeanae et earum Limitationes; nam secundum has, ipsa quoque structura undae mutatur cum ab uno referentiali inertiali ad alterum transitum fit. Haec resultata sunt pars clavissima ad transformationes Galilaeanas reiciendas, locum facientes transformationibus Lorentzianis relativitatis specialis, quia: transformatio coordinatarum recte formata debebit leges physicae omnibus observatoribus inertialibus servare.
Conclusiones
Hoc studium de undis electromagneticis et celeritate lucis in vacuo aspectus fundamentales physicae modernae patefecit. Aequationes Maxwellianae in vacuo non solum propagationem camporum electromagneticorum ut undarum describunt, sed etiam constantem universalem eminent: celeritatem lucis. Hoc inventum notiones classicas physicae, ut Transformationes Galilaeanas, provocat atque momentum Transformationum Lorentzianarum in relativitate speciali illustrat. Constantia celeritatis lucis in omnibus systematibus inertialibus fundamentum est in nostra intellegentia universi, quod ultra intuitionem classicam procedit et ad altiorem explorationem legum physicae viam pandit.
