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Elettrodinamica classica/Espressione esplicita dei campi in un'onda elettromagnetica

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Indice del libro

Calcoliamo dunque l'espressione di E e B per un'onda elettromagnetica elementare. Innanzitutto:

Fμν=μAννAμ=nμA˙νnνA˙μ

Dunque per il campo elettrico si avrà:

Ei=Fi0=niA˙0n0A˙i=ninjA˙jA˙i=(ninjδij):=PijA˙j

E=n(nA˙)A˙=n×(n×A˙)

ove Pij è il proiettore sul sottospazio ortogonale a ni; infatti Pijnj=ninjnjni=nini=0.

Per quanto riguarda il campo magnetico, invece:

Bi=12εijkFjk=εijknjA˙kB=n×A˙

Notiamo dunque che:

  1. una trasformazione di gauge non cambia i campi elettrico e magnetico (perché non cambia Fμν);
  2. le componenti di A˙ lungo n non contribuiscono al valore di Bi; infatti se A˙knk allora Biεijknjnk=0

Inoltre, i vettori E e B risultano ortogonali alla direzione di propagazione n:

nE=ni(ninjδij)A˙j=njA˙jnjA˙j=0

nB=niεijknjA˙k=0

Dunque E,Bn. Risulta inoltre:

(n×E)i=εijknjEk=εijknj(nknδk)A˙=εijknjA˙k=Bi

ossia B=n×E: i campi, oltre a essere ortogonali alla direzione di propagazione, sono ortogonali fra di loro. Infine, poiché |n|=1 risulta[1] |B|=|E|.

Impulso di un'onda elettromagnetica

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Cerchiamo ora di determinare le quantità conservate associate a un'onda elettromagnetica. Queste saranno necessariamente associate al tensore energia-impulso e densità di momento angolare dell'onda. Considerando dunque il primo:

Temgμν=FμαFαν+14ημνFαβFαβ

ma FαβFαβ=0 perché |B|=|E|. Dunque:

Temgμν=FμαFαν=(nμA˙αnαA˙μ)(nαA˙νnνA˙α)=nμnνA˙αA˙α==nμnν(A˙iA˙iA˙0A˙0)=nμnν(A˙iA˙iniA˙injA˙j)==nμnνA˙iA˙j(δijninj)=nμnν(|A˙|2(nA˙)2)

Possiamo sempre scegliere gli assi di modo che n=(0,0,1); in questo modo:

Temgμν=nμnν[(A˙1)2+(A˙2)2]E=(A˙1,A˙2,0)

Temgμν=nμnν|E|2=nμnν|E|2+|B|22Temgμν=nμnνW

ove abbiamo sfruttato il fatto che |E|=|B|, e con W=Temg00 abbiamo indicato la densità di energia del campo elettromagnetico.

Si avrà dunque che il quadrimomento trasportato dall'onda è:

Pμ=Temgμ0d3x=nμWd3x=nμ

con energia totale dell'onda (ovviamente per un'onda piana si avrebbe =+, ma abbiamo già detto che le uniche soluzioni fisicamente sensate delle equazioni di Maxwell sono pacchetti d'onde). Poiché dunque nμnμ=0, si avrà PμPμ=0; è per questo che, nella quantizzazione dell'elettrodinamica, si possono associare ai campi particelle (i fotoni) prive di massa.

Momento angolare di un'onda elettromagnetica

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L'altra quantità che resterebbe da studiare è il momento angolare:

Mμνλ=xνTemgμλxλTemgμν

Lνλ=M0νλd3x=(xνnλxλnν)Wd3x

Li=12εijkLjk=εijkxjnkWd3x

e se ad esempio n=(0,0,1):

L3=ε3j3xjWd3x=0

Sembrerebbe dunque che le onde non trasportino momento angolare nella loro direzione di propagazione. Anche con le altre componenti si ottiene lo stesso risultato:

L1=ε1j3xjWd3x=ε123x2Wd3x=W(z)x2d3x=0

ove la penultima uguaglianza è dovuta al fatto che in un'onda che si propaga lungo z le sue grandezze (in questo caso W) dipendono solo da z, e analogamente si trova L2=0. Ciò però è falso: le onde elettromagnetiche possono essere polarizzate, e quelle polarizzate circolarmente trasportano momento angolare. Questo problema sorge perché abbiamo fatto il conto non sul tensore che deriva direttamente dal teorema di Noether, ma su quello simmetrico. Abbiamo visto che nella determinazione del tensore energia-impulso simmetrico è fondamentale l'ipotesi che i campi si annullino all'infinito, cosa che le onde piane come già evidenziato non fanno. In realtà, si può vedere che le onde elettromagnetiche trasportano momento angolare lungo la loro direzione di propagazione anche con ragionamenti indiretti, che ora seguiremo.

Stati di polarizzazione di un'onda elettromagnetica

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Cominciamo definendo lo stato di polarizzazione di un'onda, che sarà legato alle proprietà del quadrivettore εμ. Ricordando che nella gauge di Lorenz si ha kμεμ(k)=0, e supponendo che l'onda si propaghi lungo z, allora kμ=|k|(1,0,0,1) (in questo modo kμkμ=0) e dunque:

εμ=(ε0,ε1,ε2,ε3)kμεμ=|k|(ε0ε3)=!0ε0=ε3

e quindi:

εμ=(ε0,ε1,ε2,ε0)=ε0|k|kμ:=εLμ+(0,ε1,ε2,0):=εTμ

ove εLμ è la parte longitudinale (ossia diretta come kμ) e εμT quella trasversa del vettore di polarizzazione εμ. Di queste due, l'unica fisicamente rilevante è quella trasversa, perché quella longitudinale può essere eliminata con un'opportuna trasformazione di gauge:

εμεμ+α(k)kμα(k):=ε0(k)|k|εμεTμ

Sono dunque solo ε1 e ε2 che determinano lo stato di polarizzazione dell'onda. Vediamo dunque quali possono essere i possibili stati di polarizzazione per un'onda elettromagnetica. Inserendo l'espressione del quaripotenziale di un'onda elementare:

Aμ(x)=εμ(k)eikx+c.c.|k0=|k|

in E=n(nA˙)A˙, si ha:

E=eikx+c.c.

con vettore complesso tale che n=0, dunque εT. Scegliamo dunque due versori e1 e e2 ortogonali a n e fra di loro. In questo modo (1,2, e l'1/2 compare per convenienza):

=12(1e1+2e2)=12eiδ~(|1|e1+eiδ|2|e2)

con δ~ fase di 1 e δ differenza di fase fra 2 e 1. Tuttavia δ~ è irrilevante, perché:

E=12eiδ~eikx(|1|e1+eiδ|2|e2)+c.c.

e dunque ridefinendo l'origine dei tempi (x0x0δ~/k0) si può porre δ~=0. Dunque:

E=|1|cos(kx)e1+|2|cos(kx+δ)e2

I casi possibili sono quindi:

δ=0

allora:

E=(|1|e1+|2|e2)cos(kx)

e dunque in ogni istante E oscilla lungo la stessa direzione: il campo si dice polarizzato linearmente

δ=±π/2, |1|=|2|

in questo caso:

E=|1|(cos(kx)e1sin(kx)e2)

e dunque al variare di x, E descrive un cerchio, in senso orario o antiorario a seconda se δ=+π/2 o δ=π/2: il campo si dice polarizzato circolarmente (destro o sinistro).

Nel caso in cui un'onda sia polarizzata circolarmente, allora:

εTμ(0,1,±i,0)

Ciò che vogliamo dunque mostrare è che un'onda polarizzata circolarmente trasporta momento angolare nella direzione di propagazione (si dice anche che porta elicità), e che può assumere valori +1 o 1. Mostriamolo in un contesto più generale, ossia considerando anche il caso delle onde gravitazionali.

Onde gravitazionali

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Il campo gravitazionale (nel limite in cui questo sia debole) è descritto dal tensore simmetrico Hμν(x) (così come il campo elettromagnetico è descritto da Aμ(x)). Fisicamente, Hμν rappresenta le piccole deformazioni della metrica dello spaziotempo rispetto alla metrica di Minkowski dovute alla gravità. Se c'è campo gravitazionale, infatti, la metrica dello spaziotempo è:

ds2=gμν(x)dxμdxν

con gμν funzione di x e simmetrico in μ e ν. Quando il campo gravitazionale è molto debole (ossia a grandi distanze dalle sorgenti):

gμν(x)ημν+(Hμν(x)12ημνHρρ(x))+O(H2)

In analogia con le onde elettromagnetiche, le equazioni differenziali a cui H dovrà obbedire saranno:

Hμν=0μHμν=0

Se fossimo in presenza di sorgenti, si dovrebbe avere Hμν=16πGTμν con Tμν tensore energia-impulso (altro motivo in più perché Tμν dev'essere simmetrico). Inoltre, Hμν è legato al potenziale gravitazionale classico φ da:

φ=14H00

e ciò accade perché nel caso newtoniano v1, e risulta T00Tij (infatti TμνPpμpνδ(3)T00Pm, T0iPpimvi).

Per semplice analogia con l'elettromagnetismo possiamo scrivere le equazioni differenziali che descrivono il campo gravitazionale:

Hμν=0μHμν=0

ove la seconda equazione fissa univocamente la gauge del campo, come vedremo fra poco. Sappiamo dunque che se il campo gravitazionale è debole:

gμνημν+Hμν12ημνHρρ+O(H2)

In relatività speciale il gruppo di simmetria "naturale" è l'insieme delle trasformazioni di coordinate che lasciano invariata la metrica, ossia il gruppo di Poincaré; in relatività generale, invece, questo gruppo è molto più ampio: si possono considerare trasformazioni qualsiasi delle coordinate xμx~μ, detti diffeomorfismi. Se dunque in relatività speciale le trasformazioni erano definite complessivamente da 10 parametri, adesso ci sono infiniti gradi di libertà, e possiamo intendere questo fatto come una sorta di invarianza di gauge. Abbiamo, insomma, che le x~μ sono le trasformazioni di gauge della relatività generale (non vediamo come agiscono sui campi perché è troppo complicato). Affinché in relatività generale il ds2 sia invariante sarà dunque necessario che anche gμν(x) trasformi in modo ben preciso (che non ricaveremo) sotto x~μ. L'equazione μHμν è quindi proprio la condizione che poniamo per fissare questa gauge.

Dobbiamo anche tenere in conto che, come già detto, le equazioni che abbiamo scritto non sono le equazioni esatte del campo gravitazionale, ma una loro approssimazione per campi deboli: l'elettromagnetismo è infatti lineare, mentre la gravità no (nell'espressione di Hμν compaiono infatti termini O(H2)). L'origine fisica di questa differenza fra campo elettromagnetico e gravitazionale risiede nel fatto che il campo elettromagnetico non è "carico", mentre quello gravitazionale lo è. Spieghiamo meglio cosa intendiamo con quest'ultima affermazione: il campo elettromagnetico è generato da cariche, ma non trasporta carica elettrica, nel senso che fra le varie quantità che si possono associare a questo tipo di campo (quantità di moto, momento angolare ecc.) la carica elettrica non compare; da un punto di vista quantistico, ciò significa che i mediatori di questo campo, i fotoni, non hanno carica. Il campo gravitazionale, invece, è generato da massa, che è equivalente all'energia, e il campo gravitazionale (come tutti i campi in una teoria relativistica, grazie al teorema di Noether) trasporta esso stesso energia: Hμν, dunque, influisce su sé stesso modificando la struttura stessa del campo, che non risulta più lineare.

Considerando l'equazione Hμν=0, sappiamo dunque che Hμν è sovrapposizione di onde elementari (ossia piane monocromatiche):

Hμν(x)=εμν(k)eikx+c.c.|kμkμ=0

ove εμν è detto tensore di polarizzazione. Ponendo μHμν=0, dunque, risulta kμεμν(k)=0. Anche in questo caso, inoltre, dobbiamo considerare le possibili trasformazioni di gauge residue:

εμν(k)ε~μν(k)=εμν(k)+kμλν(k)+kνλμ(k):=Aημνλρkρ

ove A è stato inserito affinché ε~μν sia simmetrico (infatti εμν lo è perché tale è Hμν), e l'ultimo addendo serve affinché ε~μν soddisfi ancora la condizione di gauge:

kμε~μν(k)=kμεμν(k)+kμkμλν(k)+kνkμλμ(k)kμημνλρ(k)kρ==kνkμλμ(k)kνλρ(k)kρ=0

Ci chiediamo dunque: un campo del genere quanti gradi di libertà ha? Sono le componenti di εμν, che sono 10 funzioni complesse (poiché è simmetrico) delle tre variabili k. Si deve poi avere kμεμν=0, che sono quattro vincoli (uno per ogni valore di ν); pertanto εμν è composto da 10-4=6 funzioni complesse indipendenti. Poiché inoltre ci sono quattro trasformazioni di gauge residue (corrispondenti alle quattro funzioni λμ), rimangono 6-4=2 funzioni complesse indipendenti che compongono εμν, ossia Hμν ha due gradi di libertà, proprio come il campo elettromagnetico. Scegliamo dunque gli assi di modo che kμ=ω(1,0,0,1), ove ω=|k|. In questo modo da kμεμν=0 segue che ε0ν=ε3νν. Pertanto, le componenti indipendenti di εμν sono tutte quelle dove non compare l'indice 3; vediamo quali di queste possono essere eliminate per l'invarianza di gauge. Poniamo ε~μν=εμν+δεμν; allora:

δε00=ω(λ0+λ3)δε01=ωλ1δε02=ωλ2

δε11=ω(λ0λ3)δε12=0δε22=ω(λ0λ3)

Scegliendo opportunamente λ1 e λ2, quindi, si può sempre porre[2] ε01=ε02=0; analogamente, scegliendo opportunamente λ0 e λ3, si può porre ε00=0 e ε11+ε22=0. In generale, invece, ε120. I gradi di libertà che abbiamo a disposizione sono dunque ε12 e ε11 (fissato quest'ultimo, anche ε22 è automaticamente fissato dalla relazione appena vista). Pertanto:

εμν=(00000ε11ε1200ε12ε1100000)

Mostriamo ora che, in generale, i campi elettromagnetico e gravitazionale trasportano momento angolare, detto elicità. Consideriamo dunque tre tipi di campo: scalare, quadrivettoriale e quadritensoriale. Ad ognuno di essi sarà associato, rispettivamente, un campo scalare ε(k), uno quadrivettoriale εμ(k) e uno quadritensoriale εμν(k). Sotto trasformazioni di Lorentz si avrà:

k'μ=Λμνkνε(k)=ε(k)

ε'μ(k)=Λμνεν(k)ε'μν(k)=ΛμρΛνσερσ(k)

e queste trasformazioni agiscono su uno spazio vettoriale di dimensione infinita (ε è infatti una funzione di k). Consideriamo ora il sottogruppo del gruppo di Lorentz, spesso detto piccolo gruppo, formato dalle matrici Λ tali che:

k'μ=kμΛμνkν=kμ

ove kμ è un quadrivettore fissato. Se dunque Λ appartiene al piccolo gruppo, le leggi di trasformazione dei tensori di polarizzazione saranno:

ε(k)=ε(k)ε'μ(k)=Λμνεν(k)ε'μν(k)=ΛμρΛνσερσ(k)

pertanto, ε forma una rappresentazione finito-dimensionale del piccolo gruppo, o in altre parole le coordinate dei tensori di polarizzazione trasformano linearmente fra loro. Si può dimostrare che, note le trasformazioni del piccolo gruppo, si possono ricostruire tutte le trasformazioni possibili. Studiamo dunque com'è fatto il piccolo gruppo in casi particolari. Ne distinguiamo due:

k2=m20

in questo caso esiste sempre un sistema di riferimento nel quale si ha:

kμ=m(1,0,0,0)

Dunque, le trasformazioni di Lorentz che agendo su kμ non lo cambiano (in altre parole, le trasformazioni del piccolo gruppo) dovranno essere tali che:

k=kΛ0i=0 per i0;Λi0=0 per i0

Dunque:

Λ=(100000R0)

con R matrice di rotazione tridimensionale.

k2=0

possiamo allora scegliere gli assi di modo che kμ=ω(1,0,0,1). Pertanto:

Λ=(10000cosφsinφ00sinφcosφ00001)

Infatti, in questo modo, la rotazione coinvolge solo le componenti 1 e 2 di k, che sono nulle, e pertanto k non viene alterato.

In realtà esisterebbero altri due tipi di trasformazione che appartengono al piccolo gruppo, ma le ignoriamo in quanto non hanno significato fisico.

Vogliamo dunque capire come trasformi ε sotto il piccolo gruppo. Se infatti εμ è ad esempio un vettore di polarizzazione che sotto queste trasformazioni cambia nel seguente modo:

εμ(k)Λεμ(k)einφ

si dice che il campo ha elicità n, che è la componente lungo z del momento angolare trasportato dall'onda[3]. Calcoliamo dunque quanto vale l'elicità per i vari tipi di campo che stiamo considerando.

Campo scalare. Si ha:

ε(k)ε(k)n=0

Pertanto, i campi scalari non hanno elicità, ossia non trasportano momento angolare.

Campo elettromagnetico. Sappiamo che possiamo scrivere:

εμ=ε0(1,0,0,1)εLμ+(0,ε1,ε2,0)εTμ

Dunque:

ε0ε0=ε0εLμ=εLμn=0

che effettivamente è un risultato inutile in quanto ε0 non ha significato fisico. Inoltre:

ε1=cosφε1+sinφε2ε2=sinφε1+cosφε2

Cerchiamo dunque una base di autovettori che diagonalizzi questa trasformazione. Si determina che questa base è:

εT(±)=(01±i0)

Dunque:

εT(±)=(0e±iφ±ie±iφ0)=e±iφεT(±)

Pertanto n=±1: il campo elettromagnetico ha elicità ±1. Notiamo anche che εT(±) corrispondono ai vettori di polarizzazione di un'onda polarizzata circolarmente. Possiamo dunque concludere che il campo elettromagnetico, se polarizzato circolarmente, trasporta momento angolare.

Campo gravitazionale. Abbiamo visto che come componenti fisiche di εμν possiamo usare ε11 e ε12. Dunque:

ε11=cos2φε11+2cosφsinφε12+sin2φε22=ε11==(cos2φsin2φ)ε11+2cosφsinφε12=cos(2φ)ε11+sin(2φ)ε12

Analogamente:

ε12=cos(2φ)ε12sin(2φ)ε11

Gli autovettori della trasformazione sono gli stessi di prima, perciò:

εT(±)=(0e±i2φ±ie±i2φ0)=e±i2φεT(±)n=±2

Il campo gravitazionale ha dunque elicità ±2.

  1. Nota: BE e |E|2|B|2 sono proporzionali agli invarianti che si possono costruire con Fμν. In particolare, poiché FμνFμν|E|2|B|2, per un campo elettromagnetico libero si ha FμνFμν=0.
  2. Attenzione: dovremmo scrivere in realtà, ad esempio, ε'01=0; tuttavia, poiché ε01 e ε'01 sono collegati da una trasformazione di gauge, sono fisicamente equivalenti, e dunque si può porre direttamente ε01=0.
  3. In realtà ciò non è evidente e infatti non lo si può vedere a questo livello della trattazione, perché è collegato con l'elettrodinamica quantistica. In breve, si può mostrare che se un campo ha elicità n allora i suoi mediatori (i fotoni nel caso dell'elettromagnetismo, ad esempio) hanno spin n.