Почему электромагнитные волны распространяются вперед во времени, а не назад?

Иными словами, почему ЭМ-излучение не «волнуется внутрь» и не собирается в какой-то момент? Это вполне возможно благодаря обращению времени.

Что ж, в большинстве наблюдаемых или измеренных случаев ЭМ-излучение также не распространяется наружу от точки ; обычно излучение связано с телом с ненулевыми пространственными размерами. На самом деле излучение точечных зарядов может содержать опережающую компоненту поля, но макроскопически выглядеть как запаздывающее решение - см. теорию Фейнмана-Уилера.

Я полагаю, вас интересует следующий вопрос:

поскольку существуют хорошо известные процессы, при которых ЭМ-волны создаются внутри и распространяются от физических тел в отдаленное пространство (например, излучающая антенна), то почему не существуют и обратные процессы, когда ЭМ-волны распространяются из дальнего космоса в сторону какого-то физического тела? тела и рухнуть на них?

Мы знаем, что уравнения Максвелла в некоторых простых сценариях (таких как непрерывное движение точечного заряда) имеют подобные решения (называемые опережающими полями, а не запаздывающими полями), так почему же мы не наблюдаем такие коллапсирующие сферические волны хотя бы где- нибудь ?

Краткий ответ : причину можно искать либо в:

• состояние ЭМ поля в прошлом (особое начальное состояние, не приводящее к макроскопическим опережающим волнам); прошлое не является частью физических законов, оно должно приниматься как отдельное предположение;

или же

• его можно искать в отдельном физическом законе, ограничивающем поля заряженных частиц запаздывающими решениями уравнений поля с их отдельными исходными членами.

Долгая попытка ответить:

Если бы мы знали состояние поля повсюду в какой-то момент времени и знали последующее движение зарядов, мы могли бы предсказать поле в будущем. Если зафиксировать движение зарядов, то поле будет определяться начальным условием.

Начальное условие могло быть, в принципе, таким, что поле вблизи заряженных тел развивалось бы подобно набегающей волне, приходящей издалека и обрушивающейся на эти тела.

Другое начальное условие может быть таким, что произойдет обратное; поле развивалось бы как исходящая волна, уходящая от тел в бесконечность.

Существует бесконечное множество других начальных условий, отличных от приведенных выше; в общем, разница между ними заключается в «свободном поле» — решении уравнений Максвелла без каких-либо источников.

О приемлемости начального условия в макроскопической теории следует судить на основе опыта; нет физического закона, который требовал бы того или другого.

Отсутствие входящих электромагнитных волн в нашем опыте означает, что в макроскопической электромагнитной теории следует избегать или даже отвергать определенный класс начальных условий для полей.

Но это нелегко перевести в микроскопическую теорию. Предположим, что полное ЭМ поле состоит из элементарных ЭМ полей очень большого числа заряженных частиц.

Возможно иметь макроскопически запаздывающие поля, состоящие из микроскопических полей, которые не являются чисто запаздывающими, но содержат опережающее поле. И можно моделировать макроскопическое опережающее поле специальным расположением микроскопических полей, которые являются чисто запаздывающими.

Интересная, но не единственная возможная версия электромагнитной теории состоит в том, что микроскопические поля представляют собой полностью симметричную комбинацию запаздывающих и опережающих волн (модели Тетрода, Френкеля или Фейнмана-Уилера и их вариации), но когда они используются для объяснения нашего опыта с макроскопическими тел, все уже не так просто: если элементарные поля представляют собой симметричную комбинацию запаздывающей и опережающей волн, то почему мы не видим вокруг антенны такой симметричной ЭМ волны? (На самом деле люди предложили эксперимент и убедились, что ЭМ-поле не такое симметричное. Опыт показывает, что ЭМ-поле вблизи антенны хорошо определяется запаздывающим решением.)

В модели Фейнмана-Уилера они придумали интересную идею: они ввели в теорию граничное условие (так называемое поглотительное условие), которое формально позволило им прийти к реалистичному описанию ЭМ поля, где наблюдаемое поле кажетсябыть почти запаздывающим и где коррекция якобы объясняет радиационную реакцию. Я нахожу условие поглотителя очень формальным и неестественным, а их объяснение реакции излучения (которое основано на этом условии) плохо мотивированным и ненужным для точечных частиц. Тем не менее, идея симметричного полузапаздывающего, полуопережающего поля имеет некоторые интересные следствия, например, системы противоположных зарядов гораздо более стабильны, потому что теперь волны идут как внутрь, так и наружу, и нет интенсивного излучения ЭМ энергии на окружающее пространство от таких систем, как и следовало ожидать на основании формулы Лармора (которая здесь недействительна). Возможно, что симметричные микроскопические поля с правильными вероятностными предположениями могут согласовываться с нашим макроскопическим опытом с запаздывающими полями.

Самая простая и естественная позиция на данный момент состоит в том, что элементарные поля запаздывают, а продвинутые решения нефизичны - второй вариант из короткого ответа. Этот простой выбор вполне интуитивен — элементарные волны распространяются только наружу от частиц. Это объясняет, почему макроскопические волны задерживаются без дополнительных предположений, таких как условие поглотителя Фейнмана-Уилера. Правда, схлопывающуюся примерно сферическую волну можно было бы создать, если бы множество частиц танцевали особым образом, но такое скоррелированное движение на большие расстояния маловероятно, так что это не представляет проблемы для модели.

Причина в том, что симметрия обращения времени уже нарушена в том, как мы воспринимаем время.

Мы видим время как нечто, перетекающее из прошлого в будущее, и пытаемся вывести будущее из прошлого. Следовательно, мы рассматриваем распространение электромагнитных волн (или временную эволюцию любой динамической системы) как задачу с начальным значением, а не как задачу с конечным значением. Просто запаздывающие решения (уходящие волны) возникают при решении начальных задач.

Чтобы понять, как это происходит, предположим, что имеется источник тока с конечной продолжительностью во времени и электромагнитная волна$\textbf{E}(\textbf{r},t)$в соответствии с этим исходным распределением. Естественно, разобьем волну на

Если по какой-то причине мы изучаем проблему конечного значения, мы можем рассмотреть разложение поля точно так же, как и выше, за исключением того, что теперь$\textbf{E}_{\rm{source}}(\textbf{r},t)$отличен от нуля только до выключения источника. В таком случае,$\textbf{E}_{\rm{source}}(\textbf{r},t)$является расширенным решением и соответствует конечному условию, при котором поле не существует после выключения источника . Кроме того, это то, что мы получаем, обращая время от запаздывающего решения, т. е. волны, приходящей из пространственной бесконечности.

Таким образом, мы видим только электромагнитные волны, которые распространяются вперед во времени (т. е. запаздывающие решения), потому что мы (сознательно или неосознанно) рассматриваем задачи с начальным значением. Симметрия обращения времени проявляется в том, что если мы реверсируем направление времени, решение начальной задачи уравнений Максвелла превращается в решение конечной задачи. Конечно, симметрия кажется нарушенной, если мы рассматриваем только задачи с начальными значениями; то есть мы видим только отсталые решения.

Эта проблема на самом деле не привлекала моего внимания, но я думаю, что вы правы в том, что энтропия может объяснить ее, если выразить ее числом микросостояний.

Я цитирую соответствующий вывод ответа Яна Лалинского:

Коллапсирующие сферические волны все еще могут существовать, но только как особая ситуация, связанная с особым образом скоррелированными движениями частиц в прошлом, вдали от центра.

Для простоты возьмем один источник. Электромагнитное поле возникает в результате слияния большого количества фотонов. Концептуально волновые функции отдельных фотонов в суперпозиции создают поля E и B уравнений Максвелла. Фотоны, как элементарные частицы, счетны. По мере их распространения во Вселенной число микросостояний увеличивается или остается прежним, если только оно не распространяется в совершенно пустом пространстве, что классически возможно, но квантовомеханически фотоны будут встречаться с флуктуациями вакуума, что будет включать увеличение числа микросостояний.

Для того чтобы опережающая волна воспроизвела и сфокусировалась в одном и том же месте, т. е. фактически стала обратным источником, фотоны должны взаимодействовать с вакуумными флуктуациями одного и того же порядка, потому что фотоны будут проходить одно и то же расстояние, чтобы оказаться в одном и том же (x , у, г). В ней будет накоплена энтропия порядка энтропии, приобретённой уходящей запаздывающей волной. Но источник перенаправленных волн в (x, y, z) имеет более низкую энтропию в начале излучения, reurned собрал все микросостояния на пути к своей энтропии, поэтому на самом деле не было обращения времени к оригинальное решение.

Я думаю, что это довод до абсурда , который можно было бы причесать, чтобы он выглядел более презентабельно.

Это противоречит здравому смыслу, но я думаю, что вопрос

Иными словами, почему ЭМ-излучение не «волнуется внутрь» и не собирается в какой-то момент?

можно ответить так:

Оно делает.

Или, скорее, можно было бы рассматривать одну и ту же систему с точки зрения «движения наружу» или с точки зрения «движения внутрь», не меняя лежащей в ее основе физики. Другими словами, вопрос

почему в квантовой механике мы можем использовать расширенную функцию Грина вместо отсталой, но не здесь? (Мы?)

Можно ответить:

Мы.

Например, представьте себе идеализированную модель точечного источника излучения, окруженного на некотором конечном расстоянии поглощающими стенками. Очевидное описание дается в терминах запаздывающих волн, исходящих наружу от точечного источника, но если бы кто-то был так склонен, то вместо этого можно было бы увидеть то же решение в виде суммы бесконечного множества опережающих волн, сходящихся к каждой точке на поглощающей границе. По общему признанию, я не проводил вычислений для проверки, но я думаю, что должно быть возможно сделать так, чтобы сумма всех этих опережающих волн давала точно такое же решение, как и одна запаздывающая волна.

Конечно, в этом и многих других примерах гораздо удобнее мыслить в терминах запаздывающих волн, чем опережающих, и также возникает важный вопрос, почему это должно быть так. Я думаю, это связано с причинно-следственной связью. В приведенном выше примере, если мы переместим точечный источник, мы изменим все поле излучения, но если мы переместим границу вокруг, мы не изменим. Мы можем напрямую манипулировать источниками радиации, но мы можем манипулировать поглотителями радиации только косвенно, манипулируя источниками.

Это кажется немного странным и таинственным в контексте электромагнитного излучения, но на самом деле это ничем не отличается от любого другого физического процесса — довольно универсально, мы можем манипулировать только начальными условиями, а не конечными. (Кроме того, можно вывести второй закон более или менее из одного только этого факта.{1})

Я пришел к этим выводам, читая {2}, в котором этот вопрос рассматривается достаточно подробно. Однако я читал это давно и не могу вспомнить, совпадает ли мой вывод с тем, к которому приходит автор.

{1} Jaynes, ET, 1965, " Гиббс против энтропии Больцмана ", Am. J. Phys., 33, 391;

{2} Стрела времени Хью Прайса и точка Архимеда , издательство Оксфордского университета, 1996 г.

В фундаментальных вопросах вы должны не только ограничиваться рассмотрением координатного времени, но также должны принимать во внимание собственное время, которое является фундаментальной концепцией, лежащей в основе концепции координатного времени пространства-времени.

Собственное время светоподобных явлений, таких как электромагнитные волны, равно нулю. Это означает, что светоподобные явления симметричны во времени , нет внутреннего направления времени. Как следствие, любое определение направления времени исходит от наблюдателя, который наблюдает электромагнитную волну, движущуюся со скоростью c вперед во времени.

Это просто означает, что светоподобные электромагнитные волны взаимодействуют со своим наблюдателем во временном направлении наблюдателя. Основываясь на этом выводе, мы можем предположить, что если есть объекты, движущиеся в противоположном направлении времени, то эти объекты будут наблюдать электромагнитные волны, движущиеся в противоположном направлении времени.

Не уверен, что кто-то ответил на вопрос. Причина в их концепции времени. Нет такого места, как прошлое или будущее. Есть только настоящее. Эйнштейн разработал несколько интересных теорий — он сделал это в «своем» настоящем. Он пытался всем сказать, что время зависит от вашей системы отсчета. Нил Армстронг ходил по Луне в «своем» настоящем времени. Фотон имеет импульс, но не имеет массы. Предположим, вы фотон на расстоянии 13 миллиардов миль. Чтобы добраться сюда, потребуется 13 миллиардов лет. Однако, если бы вы были этим фотоном, то путешествие было бы мгновенным (система отсчета). Когда-нибудь человек сможет пройтись по равнинам Марса. Они могут сделать это только в своем настоящем. Никогда не было случая, чтобы [что-либо] вернулось назад во времени.