相対性理論を学びたい人のために

まだ一度も相対性理論を勉強したことのない人は、何か一冊相対性理論の本を読みかじってみて、なぜこんなことが?という、疑問を持ってからこのブログに来てください。ブログの先頭に戻るには表題のロゴをクリックしてください

ありがとう。物理学者諸君。(その11)

 現在2021年5月29日9時41分である。(この投稿は、ほぼ15585文字)

麻友「こんなに早く始めるなんて、珍しい」

真由「今日のところは、ハードですから、本気出しているのでしょう」

f:id:PASTORALE:20210523225211j:plain

若菜「そんなに、凄いんですか? お父さんは、電車の中や、バスの中で、計算してましたけど」

真由「ノートを、良く見てご覧なさい。何カ所も、消しゴムで消して、書き直しています。結果は、電磁気学の本に書いてありますが、松田さんは、見せるために、全部計算したのでしょう」

私「流石に、良く分かりますね。計算結果は、知っていましたが、全部計算しました」

真由「私流の方法で、計算してみましょうか」

{\mathrm{rot~rot}} {E} {=\nabla \times (\nabla \times E )}

{=\nabla \times \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \\ \displaystyle E_y & E_z \end{vmatrix},\displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \\ \displaystyle E_z & E_x \end{vmatrix},\displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \\ \displaystyle E_x & E_y \end{vmatrix} \end{pmatrix}}

ですね」

結弦「あれっ、ここから、どうしたらいいんだろう。カッコの3番目は、{x} と、{y} だったはずだけど。こんがらがっていて、分からない」

真由「確かに、分かりにくいですね。このカッコの中の、第1成分が、{x} に、第2成分が、{y} に、第3成分が、{z} に対応するので、新しいカッコの3番目の成分は、

{\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,\displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \\ \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \\ \displaystyle E_y & E_z \end{vmatrix} & \displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \\ \displaystyle E_z & E_x \end{vmatrix} \end{vmatrix} \end{pmatrix}}

となるのです。松田さん、この行列式{\TeX} で打つの、苦労したでしょう」

私「ここだけで、30分かかりました」

麻友「ああ、複雑な数式を、入力するのは、大変なんだ」

私「放送大学へ行った後、小学校や中学校や高校の先生達が、配ってくれたプリントが、こんなに苦労して作られたものだったのかと、つくづく尊敬しました」

真由「ですよねー」

私「はい」

真由「それで、3番目だけが、分かっている、あの2重の行列式、計算しましょう」

{\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,\displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \\ \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \\ \displaystyle E_y & E_z \end{vmatrix} & \displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \\ \displaystyle E_z & E_x \end{vmatrix} \end{vmatrix} \end{pmatrix}}

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,\displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \displaystyle \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \\ \displaystyle E_z & E_x \end{vmatrix} -\displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \begin{vmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \\ \displaystyle E_y & E_z \end{vmatrix} \end{pmatrix}}

真由「小さい行列式も」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,~~~~~~~~~~~~~~~~~~~,\displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial z}-\frac{\partial E_z}{\partial x} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr) \end{pmatrix}}

若菜「また、これで、{x,y,z} のグルグルをやる?」

真由「そうです。もう、簡単ですよね。書き切れないので、縦に並べましょう」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl(\frac{\partial E_y}{\partial x}-\frac{\partial E_x}{\partial y} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial z}-\frac{\partial E_z}{\partial x} \biggr) 

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_y}{\partial x}-\frac{\partial E_x}{\partial y} \biggr)                                              

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial z}-\frac{\partial E_z}{\partial x} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr) \end{pmatrix}}

結弦「ウへー、こんな計算、1日に1回で、十分だよ。お父さん、よく1日で、8ページも、計算するな」

若菜「お母さんに説明している気分なのよ」

真由「あっ、そういうことですか。じゃあ、これ、ラヴレターなんですね」

麻友「そのつもりのようです。読む方も大変なんですけど」


真由「そうだとすると、計算し切らなければ、なりませんね」

結弦「まだ、計算するものが、あるの?」

真由「上の式は、もっと綺麗に纏まるのです」

結弦「一体どう?」

真由「カッコを、計算します。まず1行目」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \biggr) 

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_y}{\partial x}-\frac{\partial E_x}{\partial y} \biggr)                                              

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial z}-\frac{\partial E_z}{\partial x} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr) \end{pmatrix}}


若菜「手伝います」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \biggr) 

\\ \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \biggr)                                              

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial z}-\frac{\partial E_z}{\partial x} \biggr)-\displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl(\frac{\partial E_z}{\partial y}-\frac{\partial E_y}{\partial z} \biggr) \end{pmatrix}}


結弦「僕も。3行目やる」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \biggr) 

\\ \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \biggr)                                              

\\ \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial z}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial z} \biggr) \end{pmatrix}}


麻友「綺麗になりそうに、ないですけど」

真由「いや、1行目で、{\displaystyle -\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2}} という式が、ありますね」

麻友「あっ、惜しい。{\displaystyle -\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}} が、あれば、ラプラシアンなのに」

真由「それを、作っちゃうんですよ。このベクトルに、

{ \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle -\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2} +\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2} 

\\ \displaystyle -\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2} + \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}

\\ \displaystyle -\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} + \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \end{pmatrix}}

という同じものを引いて足すと、差し引きゼロですね」

麻友「はい」

真由「足してみましょう。ちょっと、手間が、かかりますが」

{ \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \biggr) \displaystyle -\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2} +\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}

\\ \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \biggr) \displaystyle -\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2} + \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}

\\ \displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial z}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2} \biggr)-\displaystyle \biggl(\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial z} \biggr) \displaystyle -\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} + \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \end{pmatrix}}

麻友「あっ、できます」

{= \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)+ \frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)+ \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial z} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial z} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr)+ \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \end{pmatrix}}

麻友「どうですか?」

真由「偏微分というのは、順番を入れ換えることが、できるんです。2回偏微分したものが、すべて連続なら。普通、物理学では、断りなく、順序を、入れ換えます。例えば、

{\phi(x,y)=2x\sin y+y^3}

などというとき、

{\displaystyle \frac{\partial \phi(x,y)}{\partial x}=2\sin y}

{\displaystyle \frac{\partial \phi(x,y)}{\partial y}=2x\cos y+3y^2}

から、

{\displaystyle \frac{\partial^2 \phi(x,y)}{\partial y \partial x}=2\cos y}

{\displaystyle \frac{\partial^2 \phi(x,y)}{\partial x \partial y}=2\cos y}

というように、一致するのです」

麻友「それを、さっきのに、使うのですね」

{ \displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)+ \frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)+ \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial z} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial z} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr)+ \displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \end{pmatrix}}

麻友「だったから、

{ =\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial x} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial x} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 E_z}{\partial z \partial y} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial y} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x \partial z} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial y \partial z} + \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2}+ \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr) \end{pmatrix}}

とできて、偏微分を、交換すると、

{ =\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2 E_y}{\partial x \partial y} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial x \partial z} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 E_z}{\partial y \partial z} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial y \partial x} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial z \partial x} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial z \partial y} + \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2}+ \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr) \end{pmatrix}}

真ん中だけ、順番が変ね。

{ =\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2 E_y}{\partial x \partial y} +\displaystyle \frac{\partial^2 E_z}{\partial x \partial z} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial y \partial x} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 E_z}{\partial y \partial z} \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial^2 E_x}{\partial z \partial x} +\frac{\partial^2 E_y}{\partial z \partial y} + \frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2}+ \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr) \end{pmatrix}}

として、多分こうするのでしょうね。


{ =\displaystyle \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial}{\partial x} \biggl(\frac{\partial E_x}{\partial x}+ \frac{\partial E_y}{\partial y} + \frac{\partial E_z}{\partial z} \biggr) \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_x}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_x}{\partial y^2} -\frac{\partial^2 E_x}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial y} \biggl( \frac{\partial E_x}{\partial x} +\frac{\partial E_y}{\partial y}+\frac{\partial E_z}{\partial z} \biggr) \displaystyle + \biggl(-\frac{\partial^2 E_y}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_y}{\partial z^2} \biggr)

\\ \displaystyle \frac{\partial}{\partial z} \biggl( \frac{\partial E_x}{\partial x} +\frac{\partial E_y}{\partial y} + \frac{\partial E_z}{\partial z} \biggr)+ \biggl(-\frac{\partial^2 E_z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2} \biggr) \end{pmatrix}}

そうすると、

{\displaystyle \nabla \cdot E=\frac{\partial E_x}{\partial x}+\frac{\partial E_y}{\partial y}+\frac{\partial E_z}{\partial z}}

だったから、一気に、

{\nabla \times (\nabla \times E )=\nabla(\nabla \cdot E)- \varDelta E}

と、書ける。ラプラシアンは、ベクトルに作用させたら、それぞれの成分に働くのよね。確かに、こうなるのなら、美しいと、言える。でも、途中の計算、なんとか、ならないの?」

私「大学の理学部の1年生が習うもののうち、この計算と、球面極座標でのラプラシアンの計算、ストークスの公式、ガウスの公式、多変数の積分の変数変換公式、など、誰でもつまずく箇所が、いくつもある。例え証明を読まなくとも、2年くらい経つうちには、皆、それらとお友達になり、空気のように、接せられるように、なるものだ。麻友さんも、ひとり、お友達が増えた」

麻友「太郎さんは、この計算、ノート何ページ使って、やってるの?」

私「4ページだ。ただ、真由さんも、言ったように、何度も計算間違いをして、消しゴムで消して、書き直している」

麻友「太郎さんでも、そうか。ところで、今、何文字?」

私「15354文字になってる」

麻友「そんなに、書いたかしらね」

私「きっと、数式を、{\TeX} で打ったのが、何千文字にも、なってるんだと思う」

麻友「取り敢えず、兵を休ませるために、休憩にして、投稿しない? 山口さんも、どうですか」

真由「もちろん、いいですよ」

麻友「じゃあ、バイバイ」

真由「それでは」

若菜・結弦「バイバーイ」

私「じゃあね」

 現在2021年5月29日14時53分である。おしまい。