[科普中國]-磁四極輻射

“磁四極輻射”是天文學專有名詞。來自中國天文學名詞審定委員會審定發(fā)布的天文學專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數(shù)據(jù)版權(quán)由天文學名詞委所有。

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磁四極電磁輻射的雙矢勢對偶理論利用電磁場四維雙勢法，首先給出了廣義Maxwell和d’Alembert 方程的解，并進一步給出了場強與四維雙勢的關(guān)系。然后利用有電荷存在時的d Alembert方程推遲解，求出了帶磁荷粒子和雙荷粒子 （ Dyon粒子 ）的電磁輻射的表達式，并分別給出了電荷和磁荷所激發(fā)的電四極和磁四極輻射四維雙矢勢表達式。最后得到了雙荷粒子電四極和磁四極輻射場表達式并對其物理性質(zhì)進行了討論。1

無磁荷的電磁場的運動Maxwell方程組刻畫了無磁荷 （或磁單極 ）的電磁場的運動。根據(jù)這組方程，Maxwell預言了電磁輻射和電磁波的存在，為電氣時代的技術(shù)革命奠定了理論基礎(chǔ)。因而，Maxwell方程無論是在理論上還是在實踐中都有十分重要的作用。電磁波的傳播是無源問題，其有關(guān)的Maxwell方程具有嚴格的電磁對偶性，對這一問題的研究已相當成熟。電磁輻射問題是有源問題，由真空中的有源Maxwell方程組可知，電和磁在該問題中是不對稱的。但若引入磁荷，Maxwell方程組將具有更加完備和對稱的形式。為了在有源情況下保持Maxwell方程的電磁對偶性，P·Dirac提出了磁單極子 （磁荷 ）存在的可能性，并指出了磁單極的存在是電荷量子化的來源。他在提出磁荷的同時，引入了一個奇異場，描述此場的矢勢就是所謂的奇異弦 （即Dirac弦 ）。物理上有意義的場不應該有奇異部分，于是N·Cabibbo和E·Ferrari在磁場矢量勢Am的基礎(chǔ)上引入了第二個矢量勢Ae （即電場矢量勢 ），并用兩個矢勢來描述磁荷存在時的電磁場理論。從電磁對偶的觀點首次提出電磁場雙四維勢的描述形式，從而避開了奇異弦而得出電荷量子化條件，后來在文獻的基礎(chǔ)上建立了能成功描述低速Dyon粒子的對偶理論在J·S施溫格引進的雙荷粒子 （ Dyon粒子 ）物理模型的基礎(chǔ)上，做了大量的研究工作，得到了許多滿意的結(jié)果。在雙矢勢描述法基礎(chǔ)上，對雙荷粒子系統(tǒng)電四極和磁四極電磁輻射的雙矢勢對偶理論進行研究。1

廣義方程的推遲解和輻射場強度分布由廣義d Alambert方程可以看出，電荷產(chǎn)生電場標量勢波動，電流產(chǎn)生磁場矢量勢波動、磁荷產(chǎn)生磁場標量勢波動，磁流產(chǎn)生電場矢量勢波動。也就是說，電荷與磁荷分別描寫了雙荷粒子C（q，g ） 的不同兩方面。

在運動狀態(tài)下，新設(shè)立的有源系統(tǒng)——即雙荷粒子C（q，g ） 系統(tǒng)的廣義d Alambert方程原則上可以用推遲勢的方法來求解。仿照經(jīng)典電動力學中g(shù)=0時的做法，可以得到廣義Alembert方程組的解。此解有十分重要的意義，即給定的雙荷粒子C (q，g ） 分布所激發(fā)的在空間某處的電磁場由各體積元內(nèi)電荷電流和磁荷磁流各自貢獻的疊加產(chǎn)生，由于場源的變化不能同時到達場點，從而就避免了物理上的奇異問題。1

總電磁輻射場及其性質(zhì)雙荷粒子是由電荷和磁荷所組成的一個統(tǒng)一的廣義的粒子。它在空間中任何一點激發(fā)的場是由純電荷激發(fā)場和純磁荷激發(fā)場的疊加。于是，雙荷粒子系統(tǒng)的電四極和磁四極所激發(fā)的電磁輻射場強分布、輻射場能流密度、輻射角分布、輻射總功率等輻射場有關(guān)的量可以類似推出：總電磁輻射場強度分布、總輻射場能流密度、總輻射角分布、總輻射功率。1

電磁場輻射問題在引入雙荷粒子和雙矢勢描述法基礎(chǔ)上，著重討論電磁場輻射問題。首先回顧和分析了引入磁單極的重要性和必要性，給出了一般情況下雙矢勢的表達式及與之相應的具有電磁對偶性的廣義Maxwell方程，雙荷粒子的非齊次波動方程。接著討論了在有磁荷存在的情況下引入雙矢勢后的廣義d Alambert方程及其推遲勢解。推遲勢多極展開式中成功地選取電四極和磁四極輻射有關(guān)的推遲勢項，準確地計算出雙荷粒子的電四極和磁四極輻射場的強度分布及對應的輻射能流密度，輻射角分布和輻射場的功率。在這一過程中，分別計算了單頻簡諧振蕩的純電荷電流電四極和純磁荷磁流磁四極激發(fā)的輻射場分布、輻射能流密度、輻射角分布和輻射場的功率。最后得到了雙矢勢下雙荷粒子電四極和磁四極輻射場表達式并對其物理性質(zhì)進行了討論。1

電四極和磁四極輻射的SO2對偶在無磁荷存在的情況下，電磁輻射問題的研究已有相當完備，但是在有磁荷存在的情況下電磁輻射問題的研究還有待于深入。Dirac首先提出了磁單極存在的可能性，并指出了磁單極存在是電荷量子化的來源。提出了磁單極的整體規(guī)范理論，非Abel規(guī)范理論中存在磁單極解等，尤其是最近在鄧超對稱性的研究中，電磁對偶性和磁單極又引起了人們極大興趣，首先提出了電磁場基于SO(2)對稱性的雙矢勢描述形式，從電磁對偶的觀點引入雙矢勢可以避開奇異弦而得出電荷量子化條件，從而在有源情況下保持了Maxwell方程的電磁對偶性。利用在有磁荷存在的情況下引入雙矢勢后的d Alambert方程及其推遲勢解，求出了帶雙荷粒子系統(tǒng)的電磁輻射表達式，給出了電四極和磁四極輻射在雙矢勢下的表達式，并討論了電多級和磁多級輻射問題。2

利用引入磁單極時雙矢勢下具有電磁對偶性的Maxwell方程，討論了在有磁荷存在的情況下引入雙矢勢后的d Alambert方程及其推遲勢解，求出了帶磁荷粒子和雙荷粒子的電磁輻射表達式。最后討論了電四極和磁四極的電磁輻射問題，推導出了新規(guī)范下具有對偶對稱性的電磁輻射表達式。由于多級輻射在原子核物理中有重要意義，并對多級輻射進行探討，從結(jié)果可以看出，在有磁荷g的情況下，給出的結(jié)論與經(jīng)典電動力學的電磁輻射的表達式完全一致。2

對偶對稱性在超弦場論以及與相關(guān)的超對稱規(guī)范場論和超引力場論中有著非常重要的作用。已經(jīng)取得了一定的成績，但還有大量的工作需要開展。比如多級輻射問題的進一步探討，將為原子核物理的發(fā)展提供新思路等等。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學