勞侖次規範(Lorenz gauge)
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對相對論性電磁學,你會想要一個把空間與時間平等對待的規範,好讓方程在每一個慣性系裡都長得一樣。勞侖次規範——以丹麥物理學家路德維希·勞侖次(Ludvig Lorenz)命名,而非荷蘭的亨德里克·勞侖茲(Hendrik Lorentz)——正是這樣的選擇,它把馬克士威那一團亂麻變成乾淨、對稱的波動方程。
規範條件是 div A + (1/c^2) dV/dt = 0,用四維向量語言就是明顯協變的 d_mu A^mu = 0。加上它,馬克士威方程組便優美地解耦:純量勢與向量勢各自滿足自己的非齊次波動方程 box V = -rho/epsilon_0 與 box A = -mu_0 J,其中 box 是達朗貝爾算子 d^2/(c^2 dt^2) - laplacian。V 與 A 之間的串擾消失了;每個位勢都由它自己的電荷或電流作為源,並以光速向外傳播。
勞侖次規範是輻射理論的主力,因為它的波動方程可直接由推遲勢求解,一開始就把光速因果律內建進去。它也是勞侖茲不變的——這條件在每一個慣性系裡都成立,這一點與庫侖規範不同——這正是為什麼它是電磁學協變張量形式的自然語言。還留有一份殘餘自由度:你仍可加上任何滿足 box lambda = 0 的 lambda 而不離開此規範。
在勞侖次規範下,box A = -mu_0 J 由推遲向量勢 A(r,t) = (mu_0/4 pi) 乘上 J(r', t_r)/|r - r'| 的積分求解,其中 t_r = t - |r - r'|/c。正是這個規範選擇,讓位勢以推遲形式呈現——因果且以 c 傳播。
div A + (1/c^2) dV/dt = 0 把馬克士威解耦成波動方程 box V = -rho/epsilon_0、box A = -mu_0 J。
拼成 Lorenz,不是 Lorentz——此規範紀念的是路德維希·勞侖次,與勞侖茲變換那位亨德里克·勞侖茲是不同的物理學家,儘管兩者老是被搞混。與庫侖規範不同,勞侖次條件是勞侖茲不變的,而且它仍留有殘餘的規範自由度(任何滿足 box lambda = 0 的 lambda)。