在上一节,由于我们仅仅考虑低速的情况,所以在计算A的积分时做了简化。但在这样做时我们遗漏了一个要点,而这一点也正是容易出错的地方。因此,现在我们将对一个以任何方式——甚至以相对论性速度——运动的点电荷的势进行计算。一旦有了这个结果,我们便将拥有关于电荷的整个电磁学。这时就连式(21.1)也可以通过取微商而推导出来。由于故事将是完整的,所以请耐心听下去。
让我们尝试计算由一个不管以任何方式运动的点 电荷(诸如一个电子)在点(x,y,z)上所产生的标势ϕ(1),所谓“点”电荷我们指的是一个十分微小的电荷球,可以缩小到任意程度,并带有电荷密度ρ(x,y,z),我们可以由式(21.15)求得ϕ:
答案似乎应该是——而几乎每个人最初总会认为——ρ对整个这样一个“点”电荷的积分恰好就是其总电荷q,因而
对于
,我们指的是在推迟时刻(t-r12
/c)从电荷所处位置点(2)至点(1)的矢径。但这个式子是错的。
正确的答案是
式中
——即指向点(1)——的电荷速度分量。现在要向你们解释其中原因。为使论证易于接受,我们将先对一个具有小立方体形状而以速率v朝向点(1)运动的“点”电荷进行计算,如图21-5(a)所示。令该立方体的每边长度为a,我们假定它比r12
(即从电荷中心至点(1)的距离)要小很多很多。
现在计算式(21.28)的积分,我们将回到基本原理上去;将它写成求和式
(21.30)
其中ri 是从点(1)至第i个体积元ΔVi 的距离,而ρi 则是在ti =t-ri /c时刻ΔVi 处的电荷密度。由于始终ri ≫a,因而把ΔVi 取为垂直于r12 的一个矩形薄片将是方便的,正如图21-5(b)所示。
图21-5 (a)“点”电荷——视作一个小立方体的电荷分布——以速率v朝着点(1)运动;(b)用来计算势的体积元ΔVi
设我们事先假定每一体积元ΔVi 的厚度w远小于a,于是单独的体积元看来就像图21-6(a)所示的那样,其中已放上了比完全覆盖电荷还要多的体积元。但我们却还没有 把电荷表示出来,而这是有充分理由的。我们应该把它画在哪里呢?对于每一体积元ΔVi 来说,必须在ti =(t-ri /c)的时刻取ρ,但由于电荷正在运动,因此对每个体积元ΔVi 来说它处在不同的位置 !
让我们说,我们从图21-6(a)中标明为“1”的体积元开始,该体积元是这样选取的,即在t1 =(t-r1 /c)时刻电荷的“后”端占据着ΔV1 ,如图21-6(b)所示。然后当我们计算ρ2 ΔV2 时,就必须用到在稍微迟 一点的时刻t2 =(t-r2 /c)的电荷位置,这时电荷所处位置如图21-6(c)所示。对于ΔV3 ,ΔV4 等等,可依此类推,现在就能算出那个和了。
图21-6 对一个运动电荷的ρ(t-r′/c)dV进行积分
由于每个ΔVi 的厚度为w,所以它的体积为wa2 。于是与电荷分布重叠的每个体积元含有电量wa2 ρ,其中ρ为立方体内的电荷密度——我们认为它是均匀的。当电荷至点(1)的距离很大时,通过令一切位于分母上的ri 都等于某一平均值,如令等于该电荷中心的推迟位置r′,那么我们这样做造成的误差将是可以忽略的。于是式(21.30)的总和便是
在这里,ΔVN 就是如图21-6(e)所示的、与电荷分布重叠的最后那一个ΔVi 。于是总和显然是
现在ρa3 恰好就是总电荷q,而Nw则是如图21-6(e)所示的那个长度b。因此我们有
b是什么?它是立方体电荷的边长再加上 t1 =(t-r1 /c)与tN =(t-rN /c)之间电荷移动的距离——这就是在如下时间内
Δt=tN -t1 =(r1 -rN )/c=b/c
电荷所行经的距离。由于电荷的速率为v,所以经过的距离为vΔt=vb/c,但长度b却是这个距离加上a,
解出b,得
当然,所谓v,我们指的是在推迟时刻t′=(t-r′/c)的速度,这可以通过写成(1-v/c)推迟 而指明出来,因此关于势的方程式(21.31)就变成
这一结果与我们上面的断言即式(21.29)相符。这里存在一个修正项,它是由于积分“扫过该电荷”时电荷正在运动引起的。当电荷朝着点(1)运动时,它对该积分的贡献增加了一个比值b/a。因此,正确的积分就是q/r′乘以b/a,后者即是1/(1-v/c)推迟 。
如果电荷速度方向并非朝着观察点(1),那就可以看出,重要的只是朝着点(1)的速度分量 。把这个速度分量称为vr ,则修正因子为1/(1-vr /c)推迟 。并且,对于任何 形状——不一定是立方体——的电荷分布,我们做过的分析按完全相同的方式进行。最后,由于电荷的“尺寸”a并未进入最终的结果,所以当把电荷缩小至任何尺寸——甚至缩小成一点时,上述结果同样成立。对于一个以任意速度运动的点电荷,普遍的结果是标势为
这个式子往往写成等效的形式:
式中r是从电荷指向正在计算ϕ的那个点(1)的矢量,而所有在括号内的量都必须是它们在推迟时刻t′=t-r′/c的值。
当我们由式(21.16)计算有关一个点电荷的势A时,同样的事情也会发生。电流密度为ρv,而对ρ的积分与刚才求ϕ时相同。所以矢势为
有关点电荷的势最初是由李纳和维谢尔导出的,因而被称为李纳-维谢尔势 。
要把这一环节接回到式(21.1)上去,只需从这些势算出E和B(利用B=▽×A和E=-▽ϕ-∂A/∂t)。现在这仅是个算术问题。然而,这项算术相当繁复,所以将不列出所有的细节。也许你会相信我们所说的话,式(21.1)就同上面所导出的李纳维谢尔势相当 [2] 。