Я знаю, что есть много похожих вопросов (может быть, идентичных?). Я не физик и не студент - я просто интересуюсь физикой и в последнее время в свободное время смотрю много физических каналов на ютубе.
Вот (почти) идентичный вопрос: почему электромагнитным волнам не нужна среда?
Вот один ответ на этот вопрос:
Ну, я бы сказал, что электромагнитное поле является средой.
Я этого не понимаю. Как что-то может быть средой для самого себя?
Я не думаю, что ответы на эти вопросы касаются конкретных моментов путаницы, которые у меня возникают, поэтому я попытаюсь задать вопрос немного по-другому.
Как может свет (или электромагнитное излучение) проходить через вакуум, когда там нет ничего, что могло бы действовать как среда, и делать это вечно во всех направлениях? Например, свет, исходящий от звезды в миллионах световых лет от нас.
С водой, например, мне легко увидеть, как волна может рассеиваться по поверхности во всех направлениях и двигаться до тех пор, пока энергия волны не рассеивается. Молекулы воды действуют как среда, они колеблются и отталкивают все соседние молекулы, вызывая эффект домино наружу.
Но что делает свет?
У меня была одна мысль: если свет состоит из чего-то, то он просто движется наружу от точки происхождения в любом направлении, куда направлялся свет.
Что приводит меня к фотонам...
Вот первый абзац из Википедии: http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
Фотон — это элементарная частица, квант света и всех других форм электромагнитного излучения, а также носитель электромагнитной силы, даже когда он статичен через виртуальные фотоны. Эффекты этой силы легко наблюдать как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне, потому что у фотона нет массы покоя; это позволяет взаимодействовать на больших расстояниях. Как и все элементарные частицы, фотоны в настоящее время лучше всего объясняются квантовой механикой и демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм, проявляя свойства как волн, так и частиц. Например, отдельный фотон может преломляться линзой или демонстрировать волновую интерференцию с самим собой, но также действовать как частица, дающая определенный результат при измерении ее положения.
Так что... возможно, фотоны составляют свет, и они просто проносятся сквозь пространство , как волна, но на самом деле это не физическая волна (как звуковая или водная волна), а просто "действующая как волна"?
Вот видео от minutephysics: https://www.youtube.com/watch?v=Q_h4IoPJXZw
В видео рассказывается о корпускулярно-волновом дуализме электрона. Таким образом, один электрон может действовать как волна, но когда он сталкивается с чем-то, он попадает только в одно место. То же самое и с фотонами?
Мысленный эксперимент : В космическом вакууме есть огромная полая сфера радиусом в 1 световой год. Внутри просто вакуум, а точно в центре во все стороны из точечного источника излучается вспышка света. Через 1 год свет падает на сферу сразу во всех местах.
Это 12,6 световых года (или 4 пи) в квадрате площади поверхности, которую нужно покрыть! Как может быть достаточно фотонов, чтобы поразить каждую точку на поверхности этой огромной сферы? Я понимаю, что очень мало света попадет так далеко, но даже если не ноль, то хоть немного света попадет.
Или, может быть, это зависит от того, насколько большой была вспышка? Может не во все точки попадает?
Если свет действительно состоит из фотонов и действует как волна, но каждый фотон попадает только в одно место, то мне кажется, что во вспышке света должно быть бесконечное количество фотонов, чтобы попасть во столько мест внутри сферы.
Но это должно быть невозможно, значит, в моих рассуждениях должна быть ошибка.
Ну, я бы сказал, что электромагнитное поле является средой.
Я этого не понимаю. Как что-то может быть средой для самого себя?
Свет — это не просто электромагнитное поле. Свет (т.е. фотоны) — это волна — возмущение или возмущение — в электромагнитном поле. Как и в случае с гравитацией, поля явно пронизывают пространство. Даже массивные частицы (например, кварки или электроны) могут быть описаны (или рассмотрены) как волны в основных полях.
Итак... возможно, фотоны составляют свет, и они просто проносятся сквозь пространство как волна, но на самом деле это не физическая волна (как звуковая или водная волна), а просто "действующая как волна"?
То, что вы называете «физической волной», является эмерджентным свойством нижележащей среды (например, воздуха, воды). По большей части такая возникающая волна в основном такая же, как волна в поле. Из- за этого сходства «физические волны» часто называют « квазичастицами ». То, что мы называем «частицами» (например, электронами), не просто «ведет себя как волны», они также являются волнами, отсюда и « дуализм волна-частица ».
Как может свет (или электромагнитное излучение) проходить через вакуум, когда там нет ничего, что могло бы действовать как среда, и делать это вечно во всех направлениях? Например, свет, исходящий от звезды в миллионах световых лет от нас.
Свет наблюдается как движущийся со скоростью v=c, согласно второму постулату специальной теории относительности . Но в соответствии с принципами специальной теории относительности свет не движется, и поэтому среда не нужна:
Мировая линия света светоподобна, а светоподобные пространственно-временные интервалы нулевые (пустые). Это означает, что импульс, передаваемый электромагнитным взаимодействием от события излучения к событию поглощения, должен как раз пересекать нулевой интервал, оба события соседствуют в пространстве-времени. Но пересечение нулевого интервала, очевидно, не является путешествием.
Однако пространственно-временные интервалы не могут наблюдаться. На пространственно-временной диаграмме нашего наблюдателя мы наблюдаем фотоны, движущиеся вдоль светового конуса. Нулевой пространственно-временной интервал может соответствовать на нашей диаграмме расстоянию в миллиарды световых лет, и эта пройденная мировая линия, которая является простым продуктом нашего наблюдения, «заполнена» электромагнитными волнами. Электромагнитные волны являются наблюдаемыми свидетелями невидимого нулевого пространственно-временного интервала.
Эмилио Писанти