D’Alembert-Operator

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Der d'Alembert-Operator ist ein Differentialoperator zweiter Ordnung, der auf Funktionen der -dimensionalen Raumzeit wirkt (z.B. ).

Sein Formelzeichen (gesprochen Box) ähnelt dem des Laplace-Operators

der aber deutlich verschiedene Eigenschaften hat.

Der d'Alembert-Operator ist der Differentialoperator der Wellengleichung und der Klein-Gordon-Gleichung und heißt auch Wellenoperator.

Die Koordinate ist die Strecke, die von der Welle in der Zeit mit der Geschwindigkeit durchlaufen wird.

Lorentzinvarianz des d'Alembert-Operators[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Koeffizienten der zweiten Ableitungen im Wellenoperator sind die Komponenten der (inversen) Raumzeitmetrik

In der ebenso verbreiteten Konvention, das Negative dieser quadratischen Form, , als Raumzeitmetrik zu bezeichnen, steht für das Negative des hier definierten d'Alembert-Operators.

So wie die Raumzeitmetrik ist der d'Alembert-Operator ist invariant unter Translationen und Lorentztransformationen . Angewendet auf Lorentzverkettete Funktionen ergibt er dasselbe, wie die Lorentzverkettete abgeleitete Funktion

Greensche Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Greensche Funktion des d'Alembert-Operators erfüllt als dessen Rechtsinverses die Definitionsgleichung

.

Dabei bezeichnet die Diracsche Delta-Distribution. Da es sich um einen nicht explizit zeit- und ortsabhängigen Operator handelt, hängt nur von den Differenzen sowie ab, weshalb wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit die gestrichenen Koordinaten null setzen können. Für die Fouriertransformierte

ergibt sich dann folgende algebraische Gleichung:

Die Polstellen von liegen genau dort, wo die Dispersionsrelation für elektromagnetische Wellen im Vakuum () erfüllt ist. Die Lösungen der homogenen Wellengleichung fallen also genau mit den Polen der Greenschen Funktion zusammen, was ein für Antwortfunktionen typisches Resonanzverhalten ist.

Um die Rücktransformation durchführen zu können, betrachten wir die analytische Fortsetzung von für komplexe Frequenzen. Mit Hilfe des Residuenkalküls kann man die Pole bei „umschiffen“, wobei verschiedene Pfade verschiedenen Randbedingungen entsprechen. Man unterscheidet:

Typ
Retardiert
Avanciert

Die Greensche Funktion im Frequenzraum ist dabei im Grenzwert zu verstehen, was den verschiedenen Pfaden um die Pole im Integral entspricht.

Der Faktor entspricht dem Ausbreitungsgesetz einer Kugelwelle.

Einzelnachweise und Fußnoten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Torsten Fließbach: Elektrodynamik. Lehrbuch zur theoretischen Physik II, 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag