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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21610 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-12-22  |  4.2 KB

  1. Xref: sparky sci.physics:21610 sci.math:17321
  2. Newsgroups: sci.physics,sci.math
  3. Path: sparky!uunet!think.com!enterpoop.mit.edu!galois!riesz!jbaez
  4. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  5. Subject: Huyghen's principle revisited
  6. Message-ID: <1992Dec21.093815.898@galois.mit.edu>
  7. Sender: news@galois.mit.edu
  8. Nntp-Posting-Host: riesz
  9. Organization: MIT Department of Mathematics, Cambridge, MA
  10. References: <COLUMBUS.92Dec18170421@strident.think.com> <1992Dec21.084200.456@galois.mit.edu>
  11. Date: Mon, 21 Dec 92 09:38:15 GMT
  12. Lines: 63
  13.  
  14. I have a certain fondness for Huyghen's principle, which (recall) says
  15. that no light "lingers" in a region after the source is turned off, or
  16. more precisely, the fundamental solution of the wave equation is
  17. supported on the lightcone (the interesting thing being that it's zero
  18. *inside* the lightcone).  The fact that this is true only for
  19. n-dimensional Euclidean space for n odd and > 1, like our 3-d world, but
  20. not for n even or n = 1, is one of those facts that is nice to understand
  21. from many angles.  That God was trying to create the lowest-dimensional
  22. world in which music would sound nice doesn't count - though it's a
  23. pleasant thought.  (Note that sound too satisfies the wave equation, at
  24. least roughly.)
  25.  
  26. The most brutal way is just to figure out the fundamental solution of
  27. the wave equation, which one can do by Fourier transforms or by the
  28. method of inspired guessing followed by verification.  If space is
  29. n-dimensional it turns out to be simply delta^{(n-3)/2}(t^2 - r^2), by
  30. which I mean: take the (n-3)/2-th derivative of the Dirac delta function
  31. and evaluate it on (t^2 - r^2).  Now, the charming thing is that
  32. fractional derivatives of the delta function make perfectly fine sense
  33. (using Fourier transform technology which I gleefully teach my grad students)
  34. but the (n-3)/2-th derivative of the delta function is only supported at
  35. the origin when (n-3)/2 is a nonnegative integer!  I.e., n odd and > 1.
  36.  
  37. More sophisticated is the following approach due to Lax.  The wave
  38. equation is conformally invariant so one may work on the conformal
  39. compactification of n+1-dimensional Minkowski space, which is just the
  40. "Einstein universe" R x S^n.  Here the wave equation takes the form 
  41. (d^2/dt^2 - Delta + c_n)psi = 0, where t is the "time" coordinate on
  42. R x S^n, Delta is the Laplacian on the sphere S^n, and c_n is a curious
  43. constant, just ((n-1)/2)^2.  The reason for this constant is a bit
  44. tricky to explain, so I won't.  However, one can solve this equation
  45. quite explicitly using spherical harmonics on S^n (in other words,
  46. eigenfunctions of Delta), and one sees that the solutions are all
  47. *periodic* for n odd and > 1.  I.e., what goes around, comes around.
  48. Lax noted that this implies Huyghen's principle, as follows.  Take a
  49. solution of the wave equation that at t = 0 has psi being a delta
  50. function at the north pole.  Then 2pi later psi is back to a delta
  51. function.  If any of the wave had "lingered," there is no way it could
  52. have "caught up" and gotten back to the north pole in time for dinner -
  53. since it can't propagate faster than the speed of light (i.e., unit
  54. speed).  One can easily deduce the periodicity, by the way, by working
  55. out the eigenvalues of the Laplacian on S^n - they're of the form 
  56. j(n - 1 + j) - and noting that when you add the curious constant c_n you
  57. get a perfect square!
  58.  
  59. I will be glad to explain some of the cryptic comments above if anyone
  60. asks.  I used to work on conformally invariant wave equations (such as
  61. "the" wave equation), hence my erudition.  A nice treatment of this
  62. topic - heavy on the group theory - is "Group representations arising
  63. from conformal geometry" by Thomas Branson (another student of my
  64. advisor), in Jour. Funct. Analysis 73.  He works out loads of
  65. conformally invariant differential operators on conformally compactified
  66. Minkowski space and figures out which ones satisfy Huyghen's principle.
  67. Other experts in Huyghen's principle and its group-theoretic roots
  68. include Helgason and Bent Oersted.
  69.  
  70. I will not go into the relationship of conformal invariance and the
  71. original topic of Michael Weiss -- the blackbody radiation seen by
  72. accelerating observers -- because I don't understand it well enough.
  73. But there *does* seem to be some sort of relationship.
  74.  
  75.  
  76.  
  77.