Historia del tensor de campo electromagnético

Tengo curiosidad por saber cómo la gente descubrió que los campos eléctricos y magnéticos se podían poner muy bien en un tensor simple.

Está claro que el tensor proporciona muchas hermosas simplificaciones a la teoría original, al aplicar la teoría abstracta de los tensores a este problema en particular. Por ejemplo, las extrañas fórmulas para la transformación de campos eléctricos y magnéticos en diferentes marcos de referencia pueden explicarse como las leyes de transformación de un 2-tensor. La interdependencia de los dos campos en esta transformación, y el hecho de que los campos eléctrico y magnético sean de alguna manera lo mismo en la teoría clásica, puede explicarse por este tensor de dos. Las diversas fórmulas ad-hoc que componen las ecuaciones de Maxwell, algunas de ellas con rotaciones, algunas con divergencia, se pueden explicar en una hermosa fórmula declarando que la derivada exterior del tensor es 0. El producto vectorial también se puede explicar como un operación sobre tensores antisimétricos.

Entonces, queda claro una vez que alguien le muestra la formulación tensorial que entreteje maravillosamente todas las partes de la teoría "elemental" (es decir, no tensorial). Mi pregunta es, ¿cómo descubrió la gente esta formulación en primer lugar? ¿Cuál fue la motivación y cuál es la historia?

Algunas reflexiones: es cierto que la teoría elemental proporciona algunas pistas para la formulación del tensor (como algunas de las cosas que enumero arriba), pero estas pequeñas pistas no son suficientes para motivar todas las complejidades de la fórmula del tensor, especialmente si uno tiene tensores no vistos antes. ¿La teoría de los tensores ya estaba flotando en el momento en que se descubrió el tensor de campo y, por lo tanto, los expertos en tensores simplemente notaron que el electromagnetismo olía como un tensor de 2? Si este es el caso, ¿cómo se dio cuenta inicialmente la gente de que los tensores eran importantes en la física? De lo contrario, ¿qué pasó? ¿Por qué la gente estaba motivada para hacerlo? Y, ¿no era la formulación original lo suficientemente buena, aunque no tan matemáticamente elegante?

Otra pregunta relacionada, ¿la gente conocía las leyes de transformación de los campos eléctricos y magnéticos antes de que apareciera Einstein? Hoy en día, por lo general, solo puede encontrarlos en libros sobre relatividad especial, o en el último capítulo de un libro sobre electromagnetismo, generalmente un capítulo sobre relatividad especial. Por lo tanto, si estuviera leyendo un libro sobre electromagnetismo, antes de llegar al capítulo sobre la relatividad, habría pensado que los vectores de fuerza y, por lo tanto, los campos eléctricos son invariantes bajo cambios de marco de referencia, al igual que las fuerzas en la mecánica newtoniana.

Respuestas (4)

El ejemplo más antiguo que he encontrado es "Die Grundgleichungen für die elektromagnetischen Vorgänge in bewegten Körpern" de Minkowski en "Nachrichten von der Georg-Augusts-Universität und der Königl. Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen" de 1908.

Una versión digitalizada se encuentra en

http://echo.mpiwg-berlin.mpg.de/ECHOdocuViewfull?start=1&viewMode=images&ws=1.5&mode=imagepath&url=/mpiwg/online/permanent/library/WBPZCG9Q/pageimg&pn=1

vaya a la página 17/18 para leer:

"Ich lasse nun an diesen Gleichungen wieder durch eine veränderte Schreibweise eine noch versteckte Symmetrie hervortreten"

apenas

"Ahora, a través de otra notación, revelaré una simetría aún oculta"

y continúa describiendo el tensor de campo.

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¿Hay una traducción al inglés de esto?
hay una traducción al inglés de Meghnad Saha aquí: archive.org/details/principleofrelat00eins puede descargar un PDF y encontrará la sección correspondiente en la página 21. También está publicado en wikisource: en.wikisource.org/wiki/… la traducción dice "Al emplear una forma modificada de escritura, ahora haré que aparezca una simetría latente en estas ecuaciones".

Con respecto a si la gente descubrió la transformación de Lorentz de los campos E&M antes que Einstein, la respuesta (por supuesto) es "más o menos". Según mi profesor de física (Universidad de Columbia), la gente se dio cuenta de que los campos se transformaban según la transformación de Lorentz (aunque, por supuesto, todavía no se llamaba así), poco antes de que Maxwell produjera sus leyes. Mi profesor dijo más o menos que la gente tenía una idea de que existía esta extraña dependencia (Lorentz) de la velocidad relativa de los marcos de referencia, pero no sabían cuál era su significado o su relación con, por ejemplo, lo aún no descubierto. transformación de posición/tiempo u otras transformaciones de Lorentz.

Tengo algunas dudas sobre el relato anterior, a menos que por "gente" se refiera al mismo Lorentz. Un dato interesante: en el artículo de 1895 de Lorentz que inició todo este asunto, solo demostró que la teoría del electromagnetismo de Maxwell obedece a las leyes de transformación que ahora lleva su nombre hasta el primer orden. Es decir, tiró todo v 4 / C 4 términos como correcciones de orden superior no tratadas. Fue en 1899 cuando se dio cuenta de que la transformación es exacta.

El propósito del tensor de electromagnetismo era demostrar la covarianza de Lorentz de las ecuaciones de Maxwell. Es fundamental para el descubrimiento de la relatividad especial, y entusiasmó a todos con la relatividad en ese momento. Einstein no tuvo nada que ver con eso.

No voy a intentar responder a toda la pregunta, solo una pequeña parte: los tensores ya se conocían antes de la teoría de Maxwell, se usaban para estudiar la elasticidad. De hecho, el nombre 'tensor' proviene de 'tensión', una cantidad obviamente importante en elasticidad y mecánica (de medios continuos) en general.

Los tensores también se usaban ya en el siglo XIX para estudiar formas algebraicas y formas diferenciales cuadráticas, aunque el cálculo de tensores tomó su forma moderna con el trabajo de Levi-Civita y Ricci.