论加速器与等离子体物理中场与粒子的耦合

在加速器和等离子体物理中，人们普遍认为无需以协变形式求解粒子动力学方程，即无需使用与坐标无关的原时来参数化时空中的粒子世界线：为了描述实验室系中的动力学，无需使用相对论运动学定律。只需在牛顿第二定律中考虑粒子动量对速度的相对论依赖性即可。于是，场与粒子的耦合基于两方面：一是使用根据牛顿定律以相对论三动量处理的粒子动力学结果，二是使用标准形式的 Maxwell 方程组。此前我们曾指出这是一种误解。在此我们详细描述了如何正确计算场与粒子之间的耦合，以及如何开发与使用标准形式 Maxwell 方程组相一致的新型粒子追踪代码算法。经典电动力学的高级教科书正确地告诉我们，实验室系中标准形式的 Maxwell 方程组与带电粒子是通过将粒子轨迹作为粒子世界线在实验室系坐标上的投影，然后使用实验室时间来参数化轨迹曲线来进行耦合的。我们展示了在实验室系中常规粒子追踪与协变粒子追踪结果之间的差异。这一关键点在物理学界从未受到关注。只有以协变形式求解动力学方程，才能给出标准形式场方程与实验室系中粒子轨迹之间的正确耦合。鉴于常规粒子追踪与协变粒子追踪之间的上述差异，加速器和等离子体物理中先前的理论和模拟结果应予以重新审视。