Тамм, И. Е. (1925) Кристаллооптика теории относительности в связи с геометрией биквадратичной формы

2026-10-18 · 8 мин. для прочтения
blog science

Тамм, Игорь Евгеньевич (1925) Кристаллооптика теории относительности в связи с геометрией биквадратичной формы [1; 2].

Содержание

1 Краткое содержание

  • Статья развивает релятивистскую электродинамику анизотропной среды, построенную ранее И. Е. Таммом совместно с Л. И. Мандельштамом, и применяет её к кристаллооптике.
  • Основная идея — свести распространение света в анизотропной среде к нулевым линиям некоторой геометрии, но не римановой квадратичной, а более общей биквадратичной геометрии.

1.1 § 1. Введение и резюме

  • Автор формулирует программу: показать, что законы распространения света в кристаллах аналогичны распространению света в гравитационном поле в вакууме.
  • В обоих случаях свет распространяется по нулевым линиям \(ds=0\), но в анизотропной среде элемент длины определяется не квадратичной, а биквадратичной формой:

\[ ds4=h{ijkl}dx_i dx_j dx_k dx_l =h_{ijkl}dxi dxj dxk dxl. \]

  • Тензор IV ранга \(h^{ijkl}\) является функцией \(\varepsilon_{\alpha\beta}\) и \(\mu_{\alpha\beta}\).
  • Биквадратичность элемента длины физически соответствует двойному лучепреломлению.
  • В изотропной среде биквадратичная геометрия переходит в обычную квадратичную.
  • В биквадратичной геометрии роль единственного метрического тензора \(g_{ij}\) распределяется между тремя тензорами: \(h_{ijkl}\), \(k_{ij}\) и \(s_{ijkl}\).
  • В изотропном случае все они сводятся друг к другу.

1.2 § 2. Основные уравнения электродинамики анизотропной среды

  • Рассматривается диэлектрическая среда с тремя взаимно перпендикулярными главными осями анизотропии.
  • Электромагнитное поле описывается антисимметричными тензорами \(F_{ij}\) и \(f^{ij}\), компоненты которых выражаются через \(E,H,D,B\).
  • Материальное уравнение имеет вид

\[ f^{ij}=s^{ijpq}F_{pq}, \qquad F_{ij}=s_{ijpq}f^{pq}, \]

  • Здесь \(s^{ijpq}\) и \(s_{ijpq}\) — две формы одного тензора IV ранга диэлектрической и магнитной проницаемости.
  • Между ними выполняется соотношение

\[ s^{ijpq}s_{hkpq}=\deltai_h\deltaj_k. \]

  • В системе \(A\) — покоящейся декартовой системе с осями вдоль главных осей анизотропии — отличны от нуля только компоненты с \(i=p\), \(j=q\).
  • Их значения записываются в виде матрицы через \(\varepsilon_\alpha\) и \(\mu_\alpha\).
  • В изотропном случае тензор IV ранга факторизуется:

\[ s^{ijpq}=s^{ip}s^{jq}, \qquad s_{ijpq}=s_{ip}s_{jq}. \]

  • Также приводятся уравнения поля:

\[ \operatorname{rot}F_{ijk}=0, \qquad \operatorname{div}f^{ij}=0. \]

1.3 § 3. Электромагнитное поле световой волны

  • Поле световой волны задаётся тензором-потенциалом

\[ \Phi_i=A_i e^{\sqrt{-1}\varphi}. \]

  • В приближении геометрической оптики пренебрегается дисперсией и дифракцией, а производные амплитуд \(A_i\) считаются малыми по сравнению с производными фазы \(\varphi\).
  • Вводятся обозначения \(Q_i=\partial\varphi/\partial x^i\).
  • Тогда

\[ F_{ij}=\sqrt{-1}(A_iQ_j-A_jQ_i)e^{\sqrt{-1}\varphi}, \] \[ f^{ij}=s^{ijpq}\sqrt{-1}(A_pQ_q-A_qQ_p)e^{\sqrt{-1}\varphi}. \]

  • Из уравнений поля получаются ограничения

\[ f^{\alpha i}Q_i=0 \qquad(\alpha=1,2,3), \] или \[ s^{\alpha i p q}(A_pQ_q-A_qQ_p)Q_i=0. \]

1.4 § 4. Уравнения Френеля

  • В системе \(A\) уравнения упрощаются.
  • Вводятся новые амплитуды \(B_i\):

\[ A_i=\frac{A_4}{Q_4}Q_i+B_i, \qquad B_4=0. \]

  • Показано, что \(B_\alpha\) пропорциональны направляющим косинусам вектора электрического поля \(E\), а \(Q_\alpha:Q_4=m_\alpha:-w\), где \(m_\alpha\) — направляющие косинусы волновой нормали, \(w\) — скорость волны.
  • Для немагнитных кристаллов (\(\mu=1\)) из общих уравнений получается классическое уравнение Френеля:

\[ \sum_\alpha \frac{m_\alpha2}{\frac{1}{\varepsilon_\alpha}-w2}=0. \]

1.5 § 5. Общее уравнение распространения световых волн

  • Для случая \(\mu\ne1\) выводится общее уравнение:

\[ \sum_{i,j,h,k}h^{ijhk}Q_iQ_jQ_hQ_k=0. \]

  • В системе \(A\) тензор \(h^{ijhk}\) имеет 16 отличных от нуля компонент, записываемых матрицей через \(\varepsilon_\alpha\), \(\mu_\alpha\).
  • Уравнение инвариантно относительно преобразований координат, если \(h^{ijhk}\) преобразуется как контравариантный тензор IV ранга.
  • Показано, что \(h^{ijhk}\) выражается через \(s^{ijpq}\) с помощью полностью антисимметричного тензора \(e_{ijhk}\).
  • В изотропном случае \(h^{ijhk}\) совпадает с \(s^{ijhk}\).

1.6 § 6. Двоякое лучепреломление и биквадратичная геометрия

  • Уравнение \(Q=\mathrm{const}\) определяет волновые поверхности.
  • Световые лучи определяются как линии, ортогональные волновым поверхностям:

\[ dx_i=\lambda \frac{\partial Q}{\partial x^i}. \]

  • Подстановка даёт уравнение световых линий

\[ h^{ijpq}dx_i dx_j dx_p dx_q=0. \]

  • В вакууме аналогичное уравнение имеет вид \(g^{ij}dx_i dx_j=0\).
  • По аналогии автор предлагает считать, что в материальной среде свет распространяется по нулевым линиям \(ds=0\), где

\[ ds4=h{ijkl}dx_i dx_j dx_k dx_l. \]

  • То есть метрическим тензором анизотропной среды является тензор IV ранга \(h^{ijkl}\).
  • В изотропном случае \(ds^4\) сводится к квадрату квадратичной формы, и геометрия становится римановой.
  • Наличие двойного лучепреломления приводит к четырём значениям скорости света \(\pm w_1,\pm w_2\) для каждого направления, что и соответствует биквадратичной форме.

1.7 § 7. Волна и луч

  • Обсуждается различие между скоростью волны \(w\) и скоростью луча \(v\).
  • В натуральной биквадратичной геометрии с инвариантным определением элемента длины нормаль к лучевой поверхности совпадает с радиус-вектором, а нормаль к волновой поверхности — с направлением потока энергии; поэтому \(v=w\).
  • Различие между волной и лучом возникает только при использовании недекартовых координат или неинвариантного мероопределения.
  • Показано, что уравнение \(ds=0\) в контравариантных координатах описывает световой луч, а в ковариантных — световую волну.
  • Связь между волновой и лучевой поверхностями такая же, как в геометрической оптике: волновая поверхность есть геометрическое место оснований перпендикуляров, опущенных из центра лучевой поверхности на касательные плоскости.

1.8 § 8. Оптика гравитационного поля

  • Для проверки идей рассматривается распространение света в гравитационном поле в вакууме.
  • В вакууме \(f^{ij}=g^{ik}g^{jl}F_{kl}\).
  • Из уравнений поля получаются соотношения:

\[ g^{iq}Q_qQ_j=0, \qquad g^{iq}A_qQ_j=0, \]

  • Для световых линий:

\[ g^{jk}dx_jdx_k=0, \qquad g_{jk}dxjdxk=0. \]

  • Показано, что направление потока энергии совпадает с нормалью к волновой поверхности, а волновая поверхность получается из лучевой стандартным геометрическим построением.
  • Тем самым утверждения § 7 доказаны для вакуума; автор предполагает, что они остаются справедливыми и в биквадратичной геометрии анизотропной среды.

1.9 § 9. Третий основной тензор биквадратичной геометрии

  • В квадратичной геометрии индексы поднимаются и опускаются одним метрическим тензором \(g_{ij}\).
  • В биквадратичной геометрии для этого нужен отдельный тензор II ранга \(k_{ij}\), удовлетворяющий

\[ k_{jk}k^{ij}=\delta_i^k. \]

  • Он должен также переводить контравариантную форму элемента длины в ковариантную:

\[ h_{ijhk}=k_{ip}k_{jq}k_{hr}k_{ks}h^{pqrs}. \]

  • В системе \(A\) компоненты \(k_{ij}\) выражаются через \(\varepsilon_\alpha,\mu_\alpha\) и определитель \(s\).

  • Таким образом, в биквадратичной геометрии различаются три основных тензора:

    • \(s_{ijkl}\) — связывает электромагнитные тензоры \(F_{ij}\) и \(f^{ij}\);
    • \(h_{ijkl}\) — определяет элемент длины;
    • \(k_{ij}\) — работа с индексами.
  • В изотропном случае все три тензора сводятся к одному тензору II ранга, аналогичному \(g_{ij}\).

1.10 Приложение

  • Доказывается, что в изотропной среде метрический тензор \(h_{ijkl}\) тождественно равен развёртке тензора II ранга \(s_{ij}\):

\[ h_{ijkl}=s_{ij}s_{kl}. \]

  • Это подтверждает согласованность биквадратичной геометрии с обычной квадратичной в изотропном пределе.

2 Резюме

2.1 Общая оценка

  • Рецензируемая работа является прямым продолжением статьи И. Е. Тамма 1924 г. по электродинамике движущейся анизотропной среды и представляет собой оригинальное развитие релятивистской кристаллооптики.
  • Основная идея статьи — показать, что распространение света в анизотропной среде можно описать как движение по нулевым линиям \(ds=0\), но не в римановой геометрии квадратичной формы, а в более общей геометрии биквадратичной формы:

\[ ds4=h{ijkl}dx_i dx_j dx_k dx_l. \]

  • Тензор IV ранга \(h^{ijkl}\) играет роль метрического тензора анизотропной среды.

  • В изотропном пределе биквадратичная форма сводится к квадрату обычной квадратичной формы, и теория переходит в риманову геометрию.

  • Такая программа позволяет единообразно описать кристаллооптику, уравнение Френеля и даже оптику гравитационного поля в вакууме.

  • Статья закладывает геометрическую программу кристаллооптики: распространение света в анизотропной среде описывается нулевыми линиями биквадратичной формы, а тензор IV ранга \(h^{ijkl}\) играет роль метрического тензора.

  • Уравнение Френеля получается как частный случай общей тензорной теории.

  • Двойное лучепреломление естественно объясняется биквадратичностью элемента длины.

  • Устанавливается аналогия между кристаллооптикой и оптикой гравитационного поля; различие волны и луча трактуется как эффект выбора координат и мероопределения.

  • В биквадратичной геометрии, в отличие от римановой, необходимы три фундаментальных тензора — \(s\), \(h\) и \(k\).

2.2 Достоинства

  • Автор последовательно использует тензор IV ранга \(s^{ijpq}\), связывающий электромагнитные тензоры \(F_{ij}\) и \(f^{ij}\), и строит из него тензор \(h^{ijkl}\), определяющий световые линии.

    • Это даёт ковариантную формулировку кристаллооптики.
  • Показано, что классическое уравнение Френеля получается из общих уравнений при \(\mu=1\). \[ \sum_\alpha \frac{m_\alpha2}{1/\varepsilon_\alpha-w2}=0 \]

    • Это тест на правильность теории.
  • Для \(\mu\ne1\) выводится общее уравнение распространения, которое сводится к уравнению Френеля в немагнитном случае. \[ \sum_{i,j,h,k}h^{ijhk}Q_iQ_jQ_hQ_k=0, \]

    • Теория охватывает более широкий класс сред, чем классическая кристаллооптика.
  • Геометрическая интерпретация двойного лучепреломления.

    • Автор показывает, что каждому направлению соответствуют четыре значения скорости света \(\pm w_1,\pm w_2\), что естественно соответствует уравнению четвёртой степени \(ds^4=0\).
    • Это физическая интерпретация биквадратичной геометрии.
  • Различие волны и луча.

    • В § 7 даётся содержательное обсуждение того, почему в биквадратичной геометрии скорость волны и скорость луча совпадают, а различие возникает лишь при использовании недекартовых координат или неинвариантного мероопределения.
    • Проводится аналогия с оптикой гравитационного поля.
  • В § 9 показано, что в биквадратичной геометрии, в отличие от римановой, нельзя обойтись одним метрическим тензором: необходимы три тензора — \(s_{ijkl}\), \(h_{ijkl}\) и \(k_{ij}\).

  • Доказательство того, что в изотропной среде \(h_{ijkl}=s_{ij}s_{kl}\), подтверждает согласованность теории с обычной квадратичной геометрией.

2.3 Замечания

  • Формальный характер геометризации.

    • Автор сам отмечает, что определение элемента длины через \(ds4=h{ijkl}dx_i dx_j dx_k dx_l\) носит в значительной степени формальный характер и является определением.
    • В работе не обсуждается, можно ли придать биквадратичной геометрии независимый смысл, аналогичный измерению масштабами и часами в ОТО.
  • Утверждения о связи волновой и лучевой поверхностей, а также о совпадении \(v\) и \(w\) в натуральной геометрии подробно доказываются только для гравитационного поля в вакууме.

    • Для анизотропной материальной среды автор ограничивается предположением, что эти утверждения остаются справедливыми.
  • В § 2 явно предполагается, что среда обладает тремя взаимно перпендикулярными главными осями анизотропии, то есть рассматриваются все кристаллические системы, кроме моноклинной и триклинной.

    • Общий случай произвольной ориентации главных осей \(\varepsilon\) и \(\mu\) не рассматривается.
    • Кроме того, среда предполагается диэлектрической; проводимость, дисперсия и поглощение исключены.
  • Работа ограничивается геометрической оптикой: пренебрегается дисперсией и дифракцией.

    • Это естественно для постановки задачи, но сужает область применимости результатов.
  • Определение тензора \(h^{ijkl}\) через полностью антисимметричный тензор \(e_{ijhk}\) и определитель \(s\) требует внимательного контроля нормировок.

    • Автор сам отмечает, что выбор \(e_{ijhk}=\pm\sqrt[4]{s/24}\) мотивируется формальными соображениями.
  • Статья носит теоретический характер; сравнение с реальными кристаллооптическими данными не проводится.

3 Библиография

Литература

1. Тамм, И.Е. Кристаллооптика теории относительности в связи с геометрией биквадратичной формы / И.Е. Тамм // Журнал Русского физико-химического общества. Часть физическая. – 1925. – Т. 57. – № 3-4. – Сс. 209–240.
2. Tamm, I.Y. Crystal optics theory of relativity in connection with geometry biquadratic forms / I.Y. Tamm // Russian Journal of Physical and Chemical Society. Part physical. – 1925. – Т. 57. – № 3-4. – Сс. 209–240.
Дмитрий Сергеевич Кулябов
Authors
Профессор кафедры теории вероятностей и кибербезопасности
Работаю профессором на кафедре теории вероятностей и кибербезопасности Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы. Научные интересы относятся к области теоретической физики и математического моделирования.