4元電流密度

4元電流密度︵よんげんでんりゅうみつど、英語: four-current︶とは、電荷密度と電流密度を相対論的な時空における4元ベクトルとして記述したものである。

4元電流密度はローレンツ変換の下でベクトルとして変換する4元ベクトルであり、時間成分は電荷密度 ρ、空間成分が電流密度 jであり


$j^{\mu }=(\rho c,{\boldsymbol {j}})$$j^{\mu }=(\rho c,{\boldsymbol {j}})$

と書かれる。光速度 cにより電荷密度の次元が電流密度の次元に換算される。

基礎方程式

電荷の保存則を表す連続の方程式は、4元ベクトルの発散


$\partial _{\mu }j^{\mu }=0$$\partial _{\mu }j^{\mu }=0$

の形で書かれる。

4元電流密度は電磁場の源︵ソース︶でありマクスウェルの方程式


$\partial _{\nu }F^{\nu \mu }=\partial _{\nu }\partial ^{\nu }A^{\mu }-\partial ^{\mu }\partial _{\nu }A^{\nu }=-\mu _{0}j^{\mu }$$\partial _{\nu }F^{\nu \mu }=\partial _{\nu }\partial ^{\nu }A^{\mu }-\partial ^{\mu }\partial _{\nu }A^{\nu }=-\mu _{0}j^{\mu }$

を満たす。ここで Fは電磁場テンソル、A は電磁ポテンシャルである。また μ₀ は磁気定数である。

また、4元電流密度は、電磁場からローレンツ力


$f_{\mu }=j^{\nu }F_{\nu \mu }$$f_{\mu }=j^{\nu }F_{\nu \mu }$

を受ける。

ラグランジュ形式

詳細は「古典電磁気学の共変定式#電磁気学のラグランジュ形式」を参照

物質 Xと電磁場 Aが相互作用する系の作用積分は


${\displaystyle S_{X}[$X]+S_{A}[A]+S_{\text{int}}[X,A]} $S_{X}[X]+S_{A}[A]+S_{\text{int}}[X,A]$

と書かれる。相互作用項 S_int は一般に


${\displaystyle S_{\text{int}}[X,A]={\frac {1}{c}}\int j^{\mu }A_{\mu }($x){\sqrt {-g}}\,d^{4}x} $S_{\text{int}}[X,A]={\frac {1}{c}}\int j^{\mu }A_{\mu }(x){\sqrt {-g}}\,d^{4}x$

の形で書かれるため、4元電流密度は汎関数微分により


${\displaystyle j^{\mu }($x)={\frac {c}{\sqrt {-g}}}{\frac {\delta S_{\text{int}}[X,A]}{\delta A_{\mu }(x)}}} $j^{\mu }(x)={\frac {c}{\sqrt {-g}}}{\frac {\delta S_{\text{int}}[X,A]}{\delta A_{\mu }(x)}}$

と表される。

微視的に見ると4元電流密度は荷電粒子の集合であり、4元電流密度は粒子を記述する力学変数 Xの関数として書かれる。粒子の系がどのように記述されるかによって、相互作用項の具体形は変化し、それに伴って4元電流密度の具体形も変化する。

古典粒子

古典的な粒子系を考えるとき、粒子はその位置によって記述される。4元電流密度は相対論的に取り扱われる量であり、粒子も相対論的な系を考える。 位置 X_iにある粒子が電荷 q_iを帯びているとき、作用汎関数は


${\displaystyle {\begin{aligned}S_{\text{int}}[X,A]&=\sum _{i}q_{i}\int {\frac {dX_{i}^{\mu }}{d\lambda }}A_{\mu }(X_{i})\,d\lambda \\&=\int \sum _{i}q_{i}\int d\lambda \left({\frac {dX_{i}^{\mu }}{d\lambda }}\,\delta ^{4}(X_{i}(\lambda )-x)\right)A_{\mu }($x)\,d^{4}x\\\end{aligned}}} ${\begin{aligned}S_{\text{int}}[X,A]&=\sum _{i}q_{i}\int {\frac {dX_{i}^{\mu }}{d\lambda }}A_{\mu }(X_{i})\,d\lambda \\&=\int \sum _{i}q_{i}\int d\lambda \left({\frac {dX_{i}^{\mu }}{d\lambda }}\,\delta ^{4}(X_{i}(\lambda )-x)\right)A_{\mu }(x)\,d^{4}x\\\end{aligned}}$

で書かれる。したがって、この系の4元電流密度は


${\displaystyle j^{\mu }($x)=\sum _{i}{\frac {q_{i}c}{\sqrt {-g}}}\int {\dot {X}}_{i}^{\mu }(\lambda )\,\delta ^{4}(X_{i}(\lambda )-x)\,d\lambda } $j^{\mu }(x)=\sum _{i}{\frac {q_{i}c}{\sqrt {-g}}}\int {\dot {X}}_{i}^{\mu }(\lambda )\,\delta ^{4}(X_{i}(\lambda )-x)\,d\lambda$

である。

「相対論的力学」も参照

フェルミ粒子

量子論的なフェルミ粒子の系は、ディラック場 ψ で記述される。質量が mの自由なフェルミ粒子の運動項は


${\displaystyle S_{\psi }[\psi ]=\int \left[i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }\psi ($x)-m{\bar {\psi }}\psi (x)\right]\,d^{4}x} $S_{\psi }[\psi ]=\int \left[i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }\psi (x)-m{\bar {\psi }}\psi (x)\right]\,d^{4}x$

で与えられる。ここで γ はガンマ行列である。

フェルミ粒子と電磁場との相互作用は、ゲージ理論に基づいて、微分を共変微分へ置き換える最小結合の理論で記述される。 従って、フェルミ粒子の運動項と相互作用項は


${\displaystyle S_{\psi }[\psi ]+S_{\text{int}}[\psi ,A]=\int \left[i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }(\partial _{\mu }-ieA_{\mu }Q)\psi ($x)-m{\bar {\psi }}\psi (x)\right]\,d^{4}x} $S_{\psi }[\psi ]+S_{\text{int}}[\psi ,A]=\int \left[i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }(\partial _{\mu }-ieA_{\mu }Q)\psi (x)-m{\bar {\psi }}\psi (x)\right]\,d^{4}x$

の形となる。ここで eは電磁相互作用の結合定数である電気素量である。また、Q はディラック場 ψ の U(1)_em の下での変換性を表すチャージである。

従って相互作用項は


${\displaystyle S_{\text{int}}[\psi ,A]=e\int {\bar {\psi }}Q\gamma ^{\mu }\psi ($x)A_{\mu }(x)\,d^{4}x} $S_{\text{int}}[\psi ,A]=e\int {\bar {\psi }}Q\gamma ^{\mu }\psi (x)A_{\mu }(x)\,d^{4}x$

であり、4元電流密度は


${\displaystyle j^{\mu }($x)=e{\bar {\psi }}Q\gamma ^{\mu }\psi (x)} $j^{\mu }(x)=e{\bar {\psi }}Q\gamma ^{\mu }\psi (x)$

となる。

「量子電磁力学」も参照

関連項目

• 電荷の保存則
• ネーターの定理
• 古典電磁気学の共変定式
• マクスウェルの方程式
• 電磁場
• 電磁ポテンシャル