La risposta di Luboš Motl è di qualche aiuto, in quanto mostra come introdurre il tipo di intuizioni offerte dalla relatività, ma tuttavia si apre con la sua conclusione generale, e quella conclusione è sbagliata. È sbagliato in gran parte per i motivi brevemente indicati nella risposta di WIMP.
La domanda è importante ed è importante che la risposta sia corretta. La domanda è:
Le equazioni di Maxwell possono essere derivate usando solo la legge di Coulomb e la relatività speciale?
La risposta è: no, perché si possono inventare molte altre teorie di campo che rispettano la Relatività Speciale, in modo tale da riprodurre la Legge di Coulomb nel quadro inerziale di una data carica puntiforme.
Tuttavia, quello che si può dire, è che l'elettromagnetismo classico (cioè l'equazione di Maxwell e l'equazione della forza di Lorentz, o qualsiasi formulazione equivalente a questa, come una formulazione lagrangiana) è tra le teorie di campo più semplici che rispettano la Relatività Speciale e includono la legge di Coulomb. La definizione di "più semplice" qui è certamente imprecisa.
Il motivo principale per cui non puoi derivare Maxwell da "Coulomb + S.R." è che non sapresti se includere gli effetti di accelerazione nella relazione tra potenziali e cariche.
Ora "solleverò un po 'il coperchio" sulla fisica teorica qui. Un modo matematico molto buono (non l'unico) per garantire che qualsiasi pezzo di fisica rispetti la Relatività Speciale (SR) è limitarsi alle espressioni tensoriali in tutto ciò che proponi e scrivi. Qui 'tensoriale' include tensori di rango zero, cioè scalari, ma non solo qualsiasi vecchio scalare: sarebbero scalari Lorentz-invarianti. Include anche 4 vettori e tensori di secondo e di rango superiore. Quando prendi le derivate, usi l'operatore gradiente covariante $ \ partial_a $ , e poi hai un kit di strumenti per costruire equazioni differenziali che rispettano SR
Quindi la teoria dei campi "più semplice" potrebbe essere tale che le particelle possano avere una proprietà scalare invariante di Lorentz chiamata carica $ q $ , e la forza su una carica particella è indipendente dalla $ u ^ a $ a 4 velocità della particella. Il problema è che si scopre rapidamente che in una tale teoria la forza su una particella non può cambiare la velocità di una particella senza cambiare anche la sua massa. Esplorando ulteriormente, provi a consentire alla $ f ^ a $ di 4 forze di dipendere dalla 4 velocità attraverso una semplice equazione lineare che coinvolge un campo scalare $ \ phi $ , ad esempio $ f ^ a = q \ phi u ^ q $ (?). Ancora non va bene (la massa cambia di nuovo). Quindi sei portato a provare un tensore di secondo rango $ F ^ {ab} $ per il campo, perché è la cosa più semplice, diversa da uno scalare, che può prendi un $ u ^ a $ a 4 vettori come input e restituisci una forza a 4 vettori:
$ f ^ a = q F ^ {a \ mu} u_ \ mu $
Ora va bene: la forza preserva la massa fintanto che $ F ^ {ab} $ è antisimmetrica. Buona! Un tensore antisimmetrico è il tipo più semplice di tensore di secondo rango. Successivamente vogliamo un'equazione differenziale per questo campo: prova la cosa più semplice, che è prendere la divergenza, e sei sulla buona strada per le equazioni di Maxwell. Se ora introduciamo la legge di Coulomb (ed è qui che entra in gioco), allora hai la garanzia di ottenere due delle equazioni di Maxwell se limiti il termine sorgente nella tua equazione differenziale a un solo termine proporzionale alla densità di carica e alla velocità 4 . La legge di Coulomb non ti dice di non aggiungere ulteriori termini che hanno a che fare con l'accelerazione 4
Con questo approccio non arriviamo inesorabilmente alle equazioni di Maxwell, ma si scopre che sono probabilmente le più semplici che includono la proprietà di conservazione della carica e che consentono una forza di conservazione della massa (in linguaggio tecnico, un puro forza).
Tra le altre teorie di campo che si incontrano ce n'è una che è molto simile a Maxwell ma include monopoli magnetici. Ciò sorge in modo molto naturale, nel trattamento teorico, ed è certamente una seria possibilità candidata per come funziona davvero il mondo fisico. È un po 'meno semplice in quanto si perde la bella proprietà di scrivere il tensore di campo come un 4 ricciolo di un campo a 4 vettori (il 4-potenziale), e la teoria non rispetta più la simmetria sotto inversione di spazio (parità). Vedere il libro di Jackson sull'elettromagnetismo per una discussione. Se in realtà ci sono monopoli magnetici, come suggeriscono molte versioni della teoria quantistica dei campi, allora il puzzle è il motivo per cui i monopoli elettrici sono molto più abbondanti dei monopoli magnetici.
Tuttavia, vorrei sottolineare che questa questione del monopolo magnetico è tutt'altro che l'unica ragione per cui le equazioni di Maxwell non sono completamente derivabili dalla legge di Coulomb e da S.R. Le altre ragioni includono che si può facilmente immaginare che le equazioni di campo implichino derivate di ordine superiore del moto della particella; S.R. da solo non può dirti che non lo fanno. Partendo da un approccio lagrangiano, si possono introdurre ulteriori vincoli, come l'invarianza che porta a leggi di conservazione, e quindi l'elettromagnetismo è abbastanza strettamente, ma ancora non completamente, vincolato. Fondamentalmente, ciò che S.R. posso dirti che un campo che fornisce una forza indipendente dalla velocità di un corpo non può essere l'intera storia della fisica. Un tale campo (come il campo elettrico) deve essere associato a ulteriori effetti che dipendono dalla velocità di un corpo.