Как излучение может быть поперечной волной? Действительно ли свет похож на веревку? Как трехмерное поле может быть средой для непространственных одномерных волн? Нужна ментальная модель

Я понимаю продольные волны. Например, у меня есть четкая ментальная модальность воздушных волн: часть воздуха становится пересжатой, затем соседняя часть становится пересжатой, а первая часть становится недостаточно сжатой. Сам воздух не движется, но перемещаются пересжатые и недосжатые области, и это волна:

2d продольная волна 2d продольная волна

Я также понимаю поперечные волны. Например, рябь на поверхности воды. Поверхность представляет собой двумерное поле, рябь колеблется в третьем измерении (таким образом, волны на воде представляют собой трехмерную структуру). Но поперечные волны могут существовать и на настоящей двумерной плоскости без третьего измерения, вот пример:

2d поперечная волна 2d поперечная волна

Но что касается радиационных волн, то я не могу найти для них ментальную модель. Ближайшим из них является веревка: если вы будете раскачивать проволоку, удерживая ее за конец, она будет колебаться по синусоидальному закону. Я вижу это как одномерное поле, колеблющееся во втором измерении (таким образом, колеблющийся провод — это двухмерная структура):

электромагнитная волна
(это электрическая и магнитная волны, это две разные волны, которые распространяются в разных полях, просто они всегда появляются парами)

Обратите внимание, как стрелки B и E на приведенной выше анимации демонстрируют, как поле колеблется, не перемещаясь.

Я также знаю, что световые волны могут быть радиально поляризованы и изображаются в виде спирали. Это также соответствует метафоре шатающейся веревки:

ЭМ волна - радиально поляризованная

Но электрические и магнитные поля трехмерны, а свет не пространственен, как воздух. Когда световая волна проходит через свое поле, кажется, что она занимает одномерную линию трехмерного поля, и эта линия колеблется либо в одном дополнительном измерении (линейная поляризация), либо в двух дополнительных измерениях (радиальная поляризация).

Это не имеет смысла для меня. Виляющая веревка могла бы быть отличным изображением световой волны, но это плохая метафора: среда волны веревки — это сама веревка, а веревка — своего рода 1D (в том смысле, что это линия). Но среда для световой волны — это электрическое поле, и поле трехмерное, пространственное.

Так как же трехмерное пространственное поле может быть средой для струнных непространственных волн? И есть ли аналог этого явления в человеческом мире?

PS Должно быть, это как-то связано с корпускулярно-волновым дуализмом, но я этого тоже не понимаю.

UPD Я уже не понимаю, что такое поперечная волна и что такое продольная волна.

Рябь на воде поперечная, верно? Волны распространяются параллельно поверхности воды, но колебания происходят перпендикулярно поверхности воды. Итак, поперечный.

Но если смотреть на плоскую водную поверхность сверху (из третьего измерения), то это не будет похоже на поперечную анимацию. Он будет смотреться именно продольным! Что здесь происходит?

Являются ли световые волны продольными при наблюдении из четвертого измерения? Разум: взорван.

Возможный дубликат: physics.stackexchange.com/questions/160042/… Также связанный: physics.stackexchange.com/questions/184381/…
Я думаю, важно, чтобы кто-то сказал, что визуализация, которую вы показываете, показывает одиночный «луч» света (именно поэтому вы говорите о ней как об одномерной структуре), но настоящие электромагнитные волны — это заполняющие объекты. «Лучевая» визуализация — это инструмент для понимания того, куда идут энергетические потоки, а не буквальное описание структуры света.
dmckee, а фотоны?.. Вы буквально можете испустить один фотон, и он будет следовать по линии, он не будет распространяться в пространстве.
Фотоны не следуют никаким линиям. Они излучаются в одном месте и поглощаются в другом, между которыми находится квантовая электродинамика, в которой уж точно нет ничего похожего на "линии".
CuriousOne, скажем, фотон можно считать частицей, и он испускается в точке А, а поглощается в точке Б. По вашему утверждению нельзя сказать, что он следовал по траектории из А в В? Это правда? Или фотон следовал по траектории АВ, но не по прямой? Тогда было ли оно синусоидальным?
Есть один совет по изучению E&M, который я часто даю : не пытайтесь одновременно понять свет и в классической, и в квантовой картинах. Выберите один и хорошо изучите его . Тогда вы можете изучить другой по существу и без ссылки на первый. Затем посмотрите, как они соединяются друг с другом. Попытка смешать их — верный путь к непониманию, пока вы не поймете обе теории.
CuriousOne абсолютно прав в том, что у квантовых объектов нет траекторий между точками наблюдения. Это одна из причин не смешивать две точки зрения, пока вы не узнаете каждую из них в отдельности.
Я не знаю ни одной из этих ветвей и не буду тратить много времени на их изучение. Я просто хочу, чтобы мои нынешние ментальные модели не противоречили реальности.
Вы не сможете разработать правильные ментальные модели без понимания хотя бы базовой феноменологии, что, очевидно, требует определенных усилий. Если это поможет, можно развить разумное понимание основ, не вдаваясь в теорию целиком, если вы готовы принять много деталей из-за доверия к теоретикам.
CuriousOne, я не против учиться, я надеюсь, что из этого самого поста вы можете увидеть мои усилия в обучении. Но я не трачу месяцы за месяцами на учебник по квантовой физике. У меня нет научной подготовки, я даже не знаю, что такое интеграл. Мне просто любопытно с научной точки зрения, и все, что мне нужно, это адекватная ментальная модель. Это разумно?
Пожалуйста, проверьте ответ, данный ниже: physics.stackexchange.com/a/171150/220036
Вот одно удовлетворительное объяснение: physics.stackexchange.com/a/171150/220036 .

Ответы (2)

Когда волна проходит через веревку, веревка движется вверх и вниз, положение всех «частиц веревки» меняется, они колеблются, и это составляет волну.

Со светом это действительно колеблющееся электромагнитное поле, но вы не должны думать о стрелках, которые представляют это поле на вашем первом изображении света, как о «расширяющихся в остальное пространство». Они не пространственные, они просто представляют величину и направление электрического/магнитного поля в этой точке .

Значит, радиоволны не колеблются? Они движутся по прямым одномерным линиям, и каждая точка на линии как бы усиливается и ослабевает? Тогда почему размер сегмента антенны или клетки Фарадея зависит от захватываемой длины волны?
Извините, но не могли бы вы проголосовать за мой вопрос? Мне нужно +10 повторений, чтобы ответить на другой вопрос.
Хм, длина волны означает расстояние между двумя горбами веревки. Высота каждого горба соответствует амплитуде. И горб может быть очень высоким даже для очень короткой длины волны. Итак, я понимаю, что синусоидальная веревка — это всего лишь метафора радиоволны, но вопрос о клетке Фарадея из моего предыдущего комментария остается в силе: если все радиоволны прямые, почему более короткая волна может пройти через клетку Фарадея, а более длинная волна не может?
Для клетки Фарадея: physics.stackexchange.com/questions/141562/…
Сухая, как я понял из dmckee и CuriousOne, клетка Фарадея защищает от распространяющихся волн, потому что каждая точка волны взаимодействует с соседними точками. Фотоны не путешествуют по отдельности, они путешествуют фронтом, который отражается от сетки.
Драйс, чего я не понял, так это того, как работают и выглядят одиночные фотоны. Могут ли они излучаться поодиночке, т.е. не в виде пространственной волны? Кажется, я слышал, что оптоволоконные сети используют отдельные фотоны. Но если фотон может существовать индивидуально, может ли он пройти через ячейку клетки Фарадея, где не может пройти волновой фронт тех же фотонов? Кроме того, dmckee и CuriousOne говорят, что неправильно рассматривать траекторию, думая о путешествии одного фотона — я изо всех сил пытаюсь понять это.

Но среда для световой волны — это электрическое поле, и поле трехмерное, пространственное.

Средой для движения световых волн не является электрическое поле. Здесь есть два момента:

1) Свет описывается уравнениями Максвелла, которые являются лоренц-инвариантными, т. е. четырехмерные классические волны возникают как решение уравнений и соответствуют данным

2) Второй момент заключается в том, что эксперимент Майкельсона-Морли показал, что нет среды, по которой распространяется свет, поэтому показанные вами анимации изображают математику уравнений Максвелла, которые описывают свет как синусоидальные вариации электрического и магнитного полей, распространяющихся в вакууме со скоростью в.

При переходе на базовый квантово-механический уровень свет состоит из огромного количества фотонов (элементарных частиц), которые в синергии создают классическую электромагнитную волну. В некотором смысле фотоны являются средой, по которой распространяется классическая волна. Как это происходит, зависит от понимания квантовой теории поля.

Может быть , эта картина может дать вам чувство.

фотпин

Так что это сложнее, чем ваши визуализации.

«Среда для движения световой волны не есть электрическое поле» — ну и какое поле?
Как я пытался объяснить, «свет» и «электрическое поле» являются классическими моделями, очень полезными в макроскопическом плане, но так получилось, что природа находится на базовом квантово-механическом уровне, и классический свет возникает на базовом квантово-механическом уровне миллионов фотонов с волновыми функциями и вероятностей в суперпозиции для формирования классического электрического поля. Теория поля в квантовой механике предлагает операторное поле для каждой стандартной модельной частицы, и, таким образом, фотоны появляются из операторов рождения в фотонном поле, а затем из фотонов возникает классика.
Вы можете найти математику здесь motls.blogspot.com/2011/11/… но вы должны знать основы квантовой теории поля, чтобы понять ее.
Я думаю, что это бесполезно, так как вам не нужно понимать квантовую механику, чтобы понять электромагнитные волны. Точно так же вам не нужна QFT, чтобы понять волны на воде.