1. Co oznacza że równania Maxwella są liniowe? 2. Skąd wiemy na pewno, że fala elektromagnetyczna w próżni nie ulega ugięciu w polu magnetycznym?
1. Co oznacza że równania Maxwella są liniowe? 2. Skąd wiemy na pewno, że fala elektromagnetyczna w próżni nie ulega ugięciu w polu magnetycznym?
ad 1. Pełną definicję (zwyczajnego) równania różniczkowego liniowego można znaleźć pod tym linkiem. Lewa strona podanego tam równania jest wielomianem co najwyżej pierwszego rzędu w szukanej funkcji y(x) i jej pochodnych. W podobny sposób definiujemy liniowość w przypadku równań różniczkowych cząstkowych: lewa i prawa strona każdego z równań jest wielomianem co najwyżej pierwszego rzędu w szukanych funkcjach i ich pochodnych.
Równania Maxwella (RM) są układem równań różniczkowych cząstkowych na dwa pola wektorowe (pole elektryczne \vec{E} i pole magnetyczne \vec{B}) zależne od czasu t i położenia \vec{r}. Źródłami pól są występująca w równaniach gęstość ładunku elektrycznego \rho(t,\vec{r}) oraz gęstość prądu \vec{j}(t,\vec{r}). Lewe i prawe strony równań są wielomianami pierwszego rzędu w pochodnych cząstkowych pól \vec{E} i \vec{B}. RM są zatem równaniami liniowymi.
ad 2. Dla RM w próżni i bez źródeł (\rho=0 oraz \vec{j}=0) zachodzi następujące wynikanie:
[ Pola (\vec{E}_1,\vec{B}_1) oraz (\vec{E}_2,\vec{B}_2) są rozwiązaniami RM ] \Rightarrow [ Pola (\vec{E}_1+\vec{E}_2,\vec{B}_1+\vec{B}_2) są rozwiązaniami RM ].
Innymi słowy, suma dwóch rozwiązań jest również rozwiązaniem. Jeśli falę elektromagnetyczną oznaczymy przez (\vec{E}_1(t,\vec{r}),\vec{B}_1(t,\vec{r})), a dowolną inną konfigurację pola (np. pole stałe i jednorodne) przez (\vec{E}_2(t,\vec{r}),\vec{B}_2(t,\vec{r})), to z powyższego twierdzenia wynika, że obecność tego drugiego pola nie wpływa na propagację fali. Wnioskujemy zatem, że fala elektromagnetyczna nie ulega ugięciu w polu magnetycznym.
Wniosek o braku ugięcia jest poprawny przy założeniu, że równania Maxwella opisują pola elektromagnetyczne dokładnie, a nie tylko w pewnym przybliżeniu. To założenie przestaje być prawdziwe, gdy weźmiemy pod uwagę polaryzację próżni wywołaną przez wirtualne pary elektron-pozyton. Wynikająca z tego zjawiska poprawka do zachowania się pól elektromagnetycznych (tzw. light-by-light scattering) jest jednak bardzo mała, o ile energia oddziałujących fotonów w ich układzie środka masy jest znacznie mniejsza od m_e c^2, gdzie m_e jest masą elektronu. Tak więc, jeśli interesują nas fale inne niż twarde fotony gamma, to możemy bezpiecznie zaniedbać polaryzację próżni wywołaną przez wirtualne pary elektron-pozyton.
Można zadać pytanie, czy jakieś nieznane nam lekkie cząstki (rzeczywiste lub wirtualne) mogłyby wywoływać oddziaływanie fali elektromagnetycznej z zewnętrznym polem magnetycznym. Tego typu hipotezy są testowane doświadczalnie, np. w eksperymencie PVLAS. Nie wykazały one jak dotąd odstępstw od przewidywań opartych na równaniach Maxwella.