4-сила есть
4-вектор, рассматриваемый как релятивистское обобщение классического
трёхмерного вектора силы на четырёхмерное пространство-время. Как и в
классической механике, 4-сила может быть определена двумя способами. В первом
из них измеряется изменение энергии и импульса частицы за единицу собственного
времени. Во втором способе вводятся силовые характеристики – напряжённости
поля, и с их помощью при известных энергии и импульсе частицы вычисляют 4-силу,
действующую на частицу в данном поле. Равенство 4-сил, полученных данными
способами, даёт уравнение движения частицы в заданном силовом поле.
В специальной теории
относительности 4-сила определяется как производная 4-импульса по собственному времени
частицы: [1]
Для частицы с постоянной инвариантной массой M > 0, , где
есть 4-скорость. Это позволяет связать 4-силу
с 4-ускорением
аналогично второму закону Ньютона:
,
где есть классический 3-вектор скорости
частицы,
– фактор Лоренца,
– скорость света,
– 3-вектор силы, [2] – 3-вектор релятивистского импульса,
– 3-вектор ускорения,
,
–
релятивистская энергия.
В общей теории относительности
4-сила определяется через ковариантную производную 4-импульса по собственному
времени: [3]
,
где –
символ Кристоффеля.
Содержание
1 Примеры
Примеры
4-сила, действующая в электромагнитном поле на частицу с электрическим
зарядом ,
выражается следующим образом:
,
где – тензор электромагнитного поля,
– 4-скорость c нижним (ковариантным) индексом.
Плотность 4-силы
Для описания жидких или протяжённых сред, в которых требуется находить силы
в разных точках пространства, вместо 4-вектора силы используют 4-вектор
плотности силы, локально действующей на малый элемент объёма среды:
где есть массовый 4-ток,
– плотность вещества в системе его покоя.
В специальной теории относительности справедливы соотношения:
,
,
где – 3-вектор плотности силы,
– 3-вектор массового тока,
– плотность релятивистской энергии.
Если проинтегрировать (2) по инвариантному объёму элемента вещества,
измеряемому в сопутствующей системе отсчёта, то получится выражение для 4-силы
(1):
Данная формула и определение плотности 4-силы через массовый 4-ток при
учёте действующих в системе полей требуют коррекции, поскольку не содержат
дополнительного вклада от 4-импульсов самих полей. Как было показано в
статье, [4] вместо плотности 4-силы (2) в непрерывно
распределённом веществе следует рассматривать выражение для плотности
обобщённой 4-силы:
где есть
плотность функции Лагранжа,
представляют
собой четырёхмерные координаты,
есть плотность обобщённого
4-импульса.
Если в веществе учесть четыре векторных поля, такие как электромагнитное и
гравитационное поля, поле ускорений и поле давления, то плотность обобщённого
4-импульса будет равна: [5]
где есть 4-потенциалы
электромагнитного и гравитационного полей, поля ускорений и поля давления,
соответственно.
4-сила в КТГ
Если частица находится в гравитационном поле, то согласно ковариантной теории гравитации
(КТГ) гравитационная 4-сила равна:
,
где – тензор
гравитационного поля, выражаемый через напряжённость
гравитационного поля и поле кручения,
– 4-импульс c нижним (ковариантным) индексом,
и масса частицы
включает в себя вклады от массы-энергии полей,
связанных с веществом частицы.
В КТГ тензор гравитационного поля с ковариантными индексами определяется непосредственно, а для перехода
к тензору с контравариантными индексами по обычному правилу используется
метрический тензор, в общем случае являющийся функцией от времени и координат:
Вследствие этого 4-сила ,
зависящая от метрического тензора через
,
также становится функцией метрики. В то же время определение 4-силы с
ковариантным индексом не требует знания метрики:
В ковариантной теории гравитации 4-вектор плотности силы определяется через
поле ускорений: [6]
[7] [8]
где – тензор энергии-импульса поля ускорений со
смешанными индексами,
– тензор ускорений,
4-потенциал поля ускорений выражается через скалярный
и векторный
потенциалы:
В выражении (3) используется оператор
производной по собственному времени
, обобщающий производную Лагранжа
(субстанциональную производную) на искривлённое пространство-время. [2]
Если есть только гравитационные и электромагнитные силы и силы давления, то
справедливо выражение:
где есть 4-вектор плотности электромагнитного
тока или зарядовый 4-ток,
– плотность электрического заряда элемента
вещества в системе его покоя,
– тензор поля давления,
– тензор
энергии-импульса гравитационного поля,
– тензор энергии-импульса электромагнитного
поля,
– тензор энергии-импульса поля давления.
В ряде случаев вместо массового 4-тока используется величина , где
– плотность движущегося вещества в
произвольной системе отсчёта. Величина
не является 4-вектором, так как плотность
вещества не является инвариантной величиной при преобразованиях координат. При
интегрировании по движущемуся объёму элемента вещества благодаря соотношениям
и
получается следующее:
Для инерциальных систем отсчёта в последнем выражении можно вынести
величину за знак интеграла. Это даёт 4-силу для таких
систем отсчёта:
Однако движущееся вещество кроме импульса частиц имеет
ещё и импульс поля, связанного с веществом, что требует более общего
определения 4-импульса и 4-силы.
В общей теории относительности считается, что тензор энергии-импульса
пылевидного вещества определяется выражением
, и для него
, то есть величина
состоит из четырёх временных компонент
данного тензора. Интеграл от этих компонент по движущемуся объёму даёт
соответственно энергию (с точностью до константы, равной
)
и импульс элемента вещества. Однако такое решение справедливо лишь в
приближении инерциального движения, как это показано выше. Кроме того, согласно
выводам в статье, [9]
интегрирование временных компонент тензора энергии-импульса для
получения энергии и импульса системы в общем случае незаконно и приводит к
парадоксам наподобие проблемы 4/3 для гравитационного и электромагнитного полей.
Вместо этого в ковариантной теории гравитации 4-импульс, содержащий энергию
и импульс, выводится не из тензоров энергии-импульса, а путём вариации
лагранжиана системы. [10]
Компоненты плотности 4-силы
Выражение (4) для плотности 4-силы можно разделить на 2 части, одна из
которых будет описывать объёмную плотность мощности энергии, а другая описывать
суммарную плотность силы от имеющихся полей.
В выражении (4) произведём замену:
где обозначает интервал,
есть дифференциал координатного времени,
– плотность массы движущегося вещества,
четырёхмерная величина
состоит из временной компоненты, равной
скорости света
,
и пространственной компоненты в виде 3-вектора скорости частицы
.
Аналогично запишем зарядовый 4-ток через плотность заряда движущегося
вещества :
Кроме этого, выразим тензоры через их компоненты, то есть через
соответствующие 3-векторы напряжённостей полей. Тогда для временной компоненты
плотности 4-силы c ковариантным индексом находим:
где – напряжённость гравитационного поля,
– напряжённость электромагнитного поля,
– напряжённость поля давления.
Пространственная компонента плотности ковариантной 4-силы является
3-вектором вида , то есть 4-сила
при этом плотность 3-силы равна:
где – поле кручения,
– индукция магнитного поля,
– соленоидальный вектор поля давления.
Выражение для ковариантной плотности 4-силы можно также записать через
компоненты тензора ускорений. Из (3) находим:
где – напряжённость поля ускорений,
– соленоидальный вектор поля ускорений.
Используя выражение 4-потенциала поля ускорений через скалярный и
векторный
потенциалы и определение производной Лагранжа,
из (3) и (4) для скалярной и векторной компонент уравнения движения получается
следующее:
Здесь являются компонентами векторного
потенциала
поля ускорений,
являются компонентами скорости
элемента вещества или частицы.
Уравнения движения вещества (5) и (6) получаются в ковариантной форме и
справедливы в искривлённом пространстве-времени. В левой части этих уравнений
присутствуют либо потенциалы, либо напряжённость и соленоидальный вектор поля
ускорений. Правая часть уравнений движения выражается через напряжённости и
соленоидальные векторы гравитационного и электромагнитного полей, и поля
давления внутри вещества. Прежде чем решать данные уравнения движения, удобно
найти вначале потенциалы всех полей через соответствующие волновые уравнения.
Беря далее 4-ротор от 4-потенциалов полей, можно определить напряжённости и
соленоидальные векторы всех полей. После подстановки их в (5) и (6) становится
возможным найти соотношение между коэффициентами полей, выразить коэффициент поля
ускорений и тем самым полностью определить это поле в веществе.
Связь с 4-ускорением
Особенностью уравнений движения (5) и (6) является то, что в них нет прямой
связи с 4-ускорением
рассматриваемой частицы вещества. Однако в ряде случаев возможно определить как
ускорение и скорость движения, так и зависимость пройденного расстояния от
времени. Простейшим примером является прямолинейное движение однородной твёрдой
частицы в однородных внешних полях. В этом случае 4-потенциал поля ускорений
точно совпадает с 4-скоростью частицы, так что скалярный потенциал , векторный потенциал
, где
есть фактор Лоренца частицы. Подстановка
равенства
даёт в (3) следующее:
где определяется как 4-ускорение.
Тогда из (3) и (4) следует уравнение для 4-ускорения частицы:
После умножения на массу частицы данное уравнение будет соответствовать
уравнению (1) для 4-силы.
В рассматриваемом случае движения твёрдой частицы 4-ускорение с
ковариантным индексом можно выразить через напряжённость и соленоидальный
вектор поля ускорений:
В специальной теории относительности
и подставляя значения
и
для одной частицы, для ковариантного
4-ускорения получается стандартное выражение:
Если масса частицы постоянна, то для силы, действующей
на частицу, можно записать:
где есть релятивистская энергия,
– 3-вектор релятивистского импульса частицы.
Для тела с непрерывным распределением вещества векторы и
существенно отличаются от соответствующих
мгновенных векторов конкретных частиц вблизи точки наблюдения. Эти вектора
отражают усреднённую величину 4-ускорения внутри тел. В частности, внутри тел
возникает 4-ускорение, генерируемое различными силами в веществе. Типичным
примером являются релятивистская однородная система,
а также космические тела, где основными силами являются силы гравитации и
внутреннего давления, обычно направленные противоположно друг другу. При
вращении этих тел плотность 4-силы, 4-ускорение, векторы
и
становятся функциями не только радиуса, но и
расстояния от оси вращения до точки наблюдения. В общем случае для протяжённых
тел 4-ускорение в каждой точке тела становится некоторой функцией координат и
времени. В качестве характеристики движения физической системы может быть
выбрано 4-ускорение центра импульсов, для оценки которого следует
проинтегрировать плотность силы по объёму всего вещества и разделить суммарную
силу на инертную массу системы. Другой способ предполагает оценку 4-ускорения
через напряжённость и соленоидальный вектор поля ускорений в центре импульсов в
приближении специальной теории относительности, как это было показано выше.
Ссылки
1. Rindler, Wolfgang (1991). Introduction to
Special Relativity (2nd). Oxford: Oxford University Press. ISBN
0-853971-853951-5.
2. а б
Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная
вложенность материи. Пермь, 2009-2011, 858 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 293
назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
3. Ландау,
Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука,
1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7.
4.
Fedosin S.G. Generalized Four-momentum for Continuously Distributed
Materials. Gazi University Journal of Science, Vol. 37, Issue 3, pp. 1509-1538
(2024). https://doi.org/10.35378/gujs.1231793. // Обобщённый 4-импульс для непрерывно распределённого вещества.
5. Fedosin S.G. Lagrangian formalism in the theory
of relativistic vector fields. International Journal of Modern Physics A, Vol.
40, No. 02, 2450163 (2025)). https://doi.org/10.1142/S0217751X2450163X. // Лагранжев формализм в теории релятивистских
векторных полей.
6. Fedosin S.G. About the cosmological constant, acceleration
field, pressure field and energy. Jordan
Journal of Physics. Vol. 9 (No. 1), pp. 1-30 (2016). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889304;
статья на русском языке: О космологической
постоянной, поле ускорения, поле давления и об энергии.
7. Fedosin S.G. The procedure of finding the stress-energy tensor and vector field
equations of any form. Advanced
Studies in Theoretical Physics, Vol. 8, No. 18, pp. 771-779 (2014). http://dx.doi.org/10.12988/astp.2014.47101;
статья на русском языке: Процедура для
нахождения тензора энергии-импульса и уравнений векторного поля любого вида.
8.
Fedosin S.G. Equations of Motion in
the Theory of Relativistic Vector Fields. International Letters of Chemistry,
Physics and Astronomy, Vol. 83, pp. 12-30 (2019). https://doi.org/10.18052/www.scipress.com/ILCPA.83.12. // Уравнения движения в
теории релятивистских векторных полей.
9.
Fedosin S.G. The generalized Poynting
theorem for the general field and solution of the 4/3 problem. International
Frontier Science Letters, Vol. 14, pp. 19-40 (2019). https://doi.org/10.18052/www.scipress.com/IFSL.14.19. // Обобщённая
теорема Пойнтинга для
общего поля и
решение проблемы 4/3.
10. Fedosin S.G. What should we understand by the four-momentum of physical system? Physica Scripta, Vol. 99, No. 5, 055034 (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad3b45. // Что мы должны понимать под 4-импульсом физической системы?
Источник: http://sergf.ru/ff.htm