E&M und Geometrie – eine historische Perspektive

Kürzlich habe ich über die schöne Formulierung des Elektromagnetismus (insbesondere der Maxwell-Gleichungen) in Form von Differentialformen nachgedacht:

F = D A D F = 0 Und D D F = μ 0 J
Ich fing an, über die Geschichte dieser Sichtweise nachzudenken, und stellte fest, dass ich überhaupt nicht viel darüber weiß. Meine erste Frage war daher: War schon zur Zeit von Maxwell (oder kurz danach) bekannt, dass sich der Elektromagnetismus in diese geometrische Form gießen lässt? Wie wurde dies zuerst eingeführt und wer hat es getan?

Nach Konsultation von Maxwells Abhandlung wurde klar, dass zumindest Maxwell selbst diese Formulierung nicht kannte. Aber vielleicht hat jemand anderes sofort die geometrische Formulierung erkannt, nachdem Maxwell seine Ergebnisse veröffentlicht hatte ...

In der Neuzeit wird man – zumindest als Physiker – meist zuerst an den Feldstärketensor herangeführt F durch die kovariante Formulierung der Maxwell-Gleichung unter Verwendung des Tensorkalküls, wo sie definiert ist als F μ v = μ A v v A μ . Wenn man dann etwas über Differentialformen etc. erfährt, dann ist das klar F = D A und die geometrische Formulierung folgt ganz natürlich. Aber war das auch historisch so? Haben 'sie' die Tensorkalkül-Formulierung von erfunden? F zuerst, und haben sie erst dann die geometrische Beschreibung erkannt? Oder wurde die geometrische Beschreibung zuerst entdeckt? Eine andere Möglichkeit ist, dass es der Einführung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bedurfte, bis jemand erkannte, dass Felder geometrisch interpretiert werden können.

Abschließend interessiere ich mich für eine chronologische Beschreibung der Entwicklung der verschiedenen Formulierungen des Elektromagnetismus, mit Betonung auf den folgenden Punkten:

  1. Wer hat zuerst die geometrische Formulierung in Form von Differentialformen erfunden?
  2. Ist überhaupt bekannt, wie diese Person darauf gekommen ist?
  3. Wurde die geometrische Interpretation entdeckt, bevor die Tensorrechnung populär wurde, oder erst, nachdem dies bekannt war F μ v = μ A v v A μ ? War das nach der Einführung von GR und war es überhaupt von Einsteins Arbeit beeinflusst?
Vielleicht finden Sie hier auch geometrische Kalküle, die auf Clifford-Algebra basieren, interessant. Es schafft es, diese Freiraumgleichungen für das EM-Feld zu nehmen und sie in einer Gleichung zu verheiraten.
Haben „sie“ zuerst die Tensorkalkül-Formulierung von F erfunden und erst dann die geometrische Beschreibung erkannt? Ich würde sagen, dass eine Tensorformulierung geometrisch ist.
Tolle Frage. Ich habe hier von einer anderen Seite verlinkt.

Antworten (1)

Vorbeigehenein magischer 8-Ball Eine kurze Websuche , die wichtigsten Schritte zur Geometrisierung des Elektromagnetismus (dh seine Formulierung als klassische Yang-Mills-Theorie in Bezug auf die Hauptzusammenhänge) sollten sein:

  • Maxwellsche Gleichungen: James Clerk Maxwell, Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes (1865)

  • Differentialformen: Élie Cartan, Sur Certaines expressions différentielles et le problème de Pfaff (1899)

  • Spezielle Relativitätstheorie: Albert Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper (1905)

  • Eichinvarianz: Hermann Weyl, Elektron und Gravitation I (1929)

Beim nächsten bin ich mir nicht sicher:

  • Hauptkonvolute: Henri Cartan, Séminaire Henri Cartan, 2 (1949-1950)

  • Yang-Mills-Theorie: Chen Ning Yang und Robert Mills, Conservation of Isotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance (1954)

  • Wong-Gleichung: SK Wong, Feld- und Teilchengleichungen für das klassische Yang-Mills-Feld und Teilchen mit Isotopenspin (1970)

Ich weiß eigentlich nicht, wer an der klassischen Yang-Mills-Theorie, also an der Gesamtzusammenfassung, schuld sein soll.

Dies ist eine Wiki-Antwort, also können Sie die Liste nach Belieben ergänzen oder ändern.

Ich bin mir nicht sicher, ob man es als Eichtheorie betrachten muss, um zur Formulierung in Bezug auf Differentialformen zu gelangen. Maxwell hatte nicht einmal unsere Notation für die Vektorrechnung zur Verfügung, also war er weit entfernt von Differentialformen. Es war vielleicht möglich, es um 1900 auf diese Weise zu formulieren, aber ich würde vermuten, dass es erst nach dem Erscheinen der speziellen Relativitätstheorie geschah, als die Leute wussten, dass man nach Lorentz-Invarianz (Kovarianz?) suchen musste.
@ gn0m0n: sicher, keine Notwendigkeit für die Eichtheorie, nur um Differentialformen zu verwenden; aber die Frage (oder zumindest ihr Titel) befasste sich mit EM und Geometrie - und geometrisch gesehen sind Vektorpotential und Feldstärke nicht nur einige willkürliche Formen, sondern eine prinzipielle Verbindung und entsprechende Krümmung
Sicher sind sie ... Ich habe nur die Frage gestellt, wann die Formulierung in Bezug auf diff. Formen aufgetreten, und ich spekulierte, dass es passiert sein könnte, bevor die Leute an das Vektorpotential und die Feldstärke in Begriffen von Faserbündeln dachten. Ob das wirklich passiert ist oder nicht, weiß ich nicht.
Gemäß mers.byu.edu/docs/thesis/phddiss_warnick_lib.pdf („A DIFFERENTIAL FORMS APPROACH TO ELECTROMAGNETICS IN ANISOTROPIC MEDIA“ von Warnick) „haben Weyl und Poincare Anfang dieses Jahrhunderts die Maxwellschen Gesetze unter Verwendung von Differentialformen ausgedrückt“ (oben auf S. 103). Vielleicht sagt er noch mehr. Das Buch von Flanders erschien 1963 und enthielt sicherlich eine Behandlung von E&M. Er könnte etwas über die Geschichte darin sagen.
Vielleicht interessieren Sie sich auch für sciencedirect.com/science/article/pii/0315086081900276 (Die Geschichte der Differentialformen von Clairaut bis Poincaré) oder math.toronto.edu/mgualt/wiki/samelson_forms_history.pdf (Differentialformen, die frühen Tage) aber sie scheinen nicht darauf einzugehen, wann sie zum ersten Mal für E & M verwendet wurden.