[論文レビュー] The Magnetic Force as a Kinematical Consequence of the Thomas Precession

David C. Lush|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2011

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、磁力が、運動する電荷の静止系で観測されるトーマス進化の補正として生じる力学的効果であると提唱している。著者らは、慣性系の相対論的回転に起因するコリオリ力の反転力（反擬力）として磁力の性質を扱い、相対論的共変性からその形を導出し、場源の加速度を必要とせず自然に出現することを示している。これにより電磁力学の力学的基盤が得られ、強い力や弱い力に対応する類似現象の可能性が示唆される。

ABSTRACT

The requirements imposed by relativistic covariance on the physical description of two interacting classical charged particles are investigated. Because rotational pseudo-forces cannot be caused by Thomas precession, kinematical considerations demand the presence of compensatory forces when Thomas precession of an inertial reference frame is observed. The magnetic force on a moving charge is apparently one such force, where Thomas precession of the laboratory frame is seen by an observer co-moving with the charge. Other forces corresponding to the Euler and centrifugal rotational pseudo-forces are also predicted by this line of reasoning. The plausibility that an anti-centrifugal force of the Thomas precession may account for the binding of quarks into nucleons is investigated. The similarity of the magnetic force on a relativistically-moving charge in the radiative magnetic field of a nearby Coulomb-accelerating charge to the predicted anti-centrifugal force of the Thomas precession is shown.

研究の動機と目的

• 相対論的共変性とトーマス進化に起因するフレームの回転が、慣性系内に補正力の必要性を生じることを調査すること。
• 運動する電荷の共動系において、トーマス進化に起因する反コリオリ力として磁力が解釈可能であることを示すこと。
• この議論を拡張し、オイラー力や遠心力に類似した力が予測可能であり、それが強い力や弱い力と関連する可能性を検討すること。
• トーマス進化に起因する類似の反遠心力効果が、核子内のクォークの閉じ込めを説明できる可能性を検討すること。

提案手法

• 移動する非加速度電荷の電磁場を記述するため、リエナール＝ヴィエッヒャー・ポテンシャルを用い、実験系における電場と磁場を導出する。
• ローレンツ変換を用いて一時的な測定粒子の静止系に移行し、四元位置および場の成分の変換を分析する。
• 測定粒子の静止系が実験系に対して相対論的回転を示すトーマス進化効果を、運動学的回転として特定し、それに伴う擬力の分析を行う。
• 慣性系と回転系の整合性を要求することで、補正力の必要性を導出し、磁力が反コリオリ力として同定される。
• 場源電荷が加速度を示す場合に拡張し、放射場に起因する追加の磁気的類似力が予測可能であることを示す。
• 相対論的運動学および場の変換を用い、極めて相対論的極限における磁力の振る舞いを予測される反遠心力と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁力は、基本的相互作用ではなく、トーマス進化の力学的結果として導出可能か？
• RQ2 非加速度場源電荷の静止系ではコリオリ力が存在しないが、トーマス進化が観測される場合、なぜ補正力が必要となるのか？
• RQ3 運動する測定粒子の静止系から見た場合、磁力の相対論的起源は何か？
• RQ4 オイラー力や遠心力に類似した擬力が、同様の力学的メカニズムによって予測可能か？
• RQ5 加速度する電荷の放射場における磁力が、クーロン反発力を打ち消せるような反遠心力に類似した振る舞いを示すか？

主な発見

• 運動電荷が受ける磁力は、トーマス進化を経験する共動観測者の静止系においてコリオリ効果が存在しないことを補正する反コリオリ力であることが示された。
• 導出結果から、場源電荷の加速度がなくても磁力が現れることが確認され、ローレンツ力の既知の振る舞いと整合的である。
• 加速度する電荷の磁場は、極めて相対論的条件下で、電荷の符号に関係なく引力的である場合があり、反遠心力に類似した振る舞いを示す。
• 加速度する電荷の放射電場が生じる力は、予測された反遠心力と同様の性質を示し、短距離でクーロン反発力を打ち消す可能性がある。
• 磁力とコリオリ力の形式的類似性は偶然ではなく、磁力がトーマス進化に起因する反擬力であるという直接的結果である。
• この枠組みにより、強い力の力学的起源が示唆され、トーマス進化に起因する反遠心力が、核子内でのクォークの束縛を説明する可能性を示唆する。