電磁輻射與協變電動力學

李納-維謝爾勢(Liénard-Wiechert potentials)

/ lee-ay-NAR VEE-khairt /

拿起推遲勢,問一個最尖銳的問題:一個沿任意軌跡運動的單一點電荷,它的位勢是多少?答案就是李納-維謝爾勢——而它帶著一個出人意料的轉折:一個在靜電學裡沒有對應物的因子,最終正是它讓運動電荷發出輻射。

對一個電荷 q,在推遲時間 t_r 讀取其推遲位置與速度,位勢為 V(r,t) = (1/4 pi epsilon_0) qc / (Rc - R·v),而 A(r,t) = (v/c^2) V,其中 R 由電荷的推遲位置指向場點,R = |R|。分母可寫成 R(1 - n·beta),n 是指向場點的單位向量,beta = v/c;因子 1/(1 - n·beta) 是一個幾何上的「集束」(beaming)因子,當電荷朝你運動時最大。把這些位勢微分,就得到運動電荷的精確場,它乾淨俐落地分成兩部分:一是隨 1/R^2 衰減的速度場(隨電荷一起被帶著走的、經勞侖茲提升的廣義庫侖場),二是只隨 1/R 衰減的加速度場(即輻射場)。

那個 1/R 的加速度項正是輻射的全部來源:只有衰減得像 1/R 這麼慢的項,才能讓能量——它以場的平方、也就是約 1/R^2 的方式流動——一路存活到無窮遠。把加速度設為零,輻射場就消失,只剩下等速運動電荷那個被提升的庫侖場。集束因子在高速電荷下被升到高次方,正是它把同步輻射壓縮成一道狹窄的前向錐束。

對一個緩慢運動的電荷(v << c),集束因子 1 - n·beta 幾乎等於 1,李納-維謝爾純量勢就退回到熟悉的 V = q/(4 pi epsilon_0 R),只是在推遲時間取值——這就是尋常的庫侖勢,只不過延遲了。

點電荷的位勢 = 推遲後的庫侖定律,再乘上集束因子 1/(1 - n·beta)。

這些場同時依賴電荷的推遲位置、速度「與」加速度;但只有加速度那一部分會輻射。常見的錯誤是把 (1 - n·beta) 因子丟掉——它正是把相對論性電荷的輻射打向前方的關鍵,當 v 接近 c 時絕不能忽略。

又稱
potentials of a moving point charge李納-維謝勢