狹義相對論:四維向量形式

四維力/四力(four-force)

牛頓第二定律 F = dp/dt 還不是一個相對論陳述,因為它用了座標時間 t。四維力是它的協變完成式——四維動量對固有時的變化率——使得「力等於動量的變化率」成為一條四維向量之間的等式,在每個慣性系中都成立。

四維力(閔可夫斯基力)為 K^mu = dp^mu/dtau = m A^mu(對靜止質量固定的情形),其中 tau 是固有時、A^mu 是四維加速度。其空間分量與一般牛頓三維力 F 的關係為 K = gamma F,而其時間分量為 K^0 = gamma (F·v)/c——即力做功的速率,也就是傳遞能量的速率。由於對固定質量而言 p·p = m^2 c^2 為常數,故 K·U = 0:四維力在閔可夫斯基意義下正交於四維速度,這是「純粹的力改變方向與能量、但不改變靜止質量」的協變陳述。

最典型的例子是電磁:作用於電荷 q 的勞侖茲四維力為 K^mu = (q/c) F^mu_nu U^nu,其中 F^mu_nu 是電磁場張量——一條明顯協變的方程式,同時包含了電力與磁的 v x B 力。要注意:K·U = 0 假設靜止質量固定;若某個「力」同時改變粒子的靜止質量(它在內部吸收能量,或在變質量問題中),這個漂亮的正交性就會失效,此時必須保留 m U-dot 與 m-dot U 兩項。

對於沿 x 方向的純電場 E 中的一個電荷,空間四維力為 gamma qE,時間分量 gamma qE v_x/c 追蹤所傳遞的功率;對 dp/dtau 積分給出相對論動力學特有的、實驗室系中越來越慢的雙曲加速。

四維力把力學上的力與它所傳遞的功率統一進單一四維向量。

當心兩種不同的「力」:閔可夫斯基四維力 K^mu = dp^mu/dtau 與日常的三維力 F = dp/dt 相差一個 gamma 因子(空間部分為 K = gamma F)。它們只在低速極限 gamma -> 1 時一致。

又称
Minkowski forceK^mu閔可夫斯基力