Почему электромагнитным волнам для движения не нужен вакуум? [дубликат]

Отвечая на заглавный вопрос: это просто экспериментальный факт , что электромагнитным волнам для распространения не нужна материальная среда (состоящая из атомов, толкающих друг друга). Они просто отличаются от волн, которые представляют собой упругие возмущения в скоплениях атомов. Бесчисленные эксперименты демонстрируют передачу энергии, импульса и углового момента через вакуум с помощью электромагнитных волн.

Если это кажется немного странным, возможно, это потому, что вы путаете понятия пустого пространства и «ничто» на каком-то уровне, и вы можете получить некоторое удовлетворение от знания того, что современная физика рассматривает вакуум как материальную вещь. Пространство состоит из квантовых полей, а «пустое пространство» — это просто сокращение для области, в которой все составляющие квантовые поля находятся в своем основном состоянии. В этом смысле вакуум тоже во многом является средой, хотя и лоренц-инвариантной, поскольку здесь волновое уравнение преобразуется лоренц-инвариантным образом. Это контрастирует с упругими волнами в материальной среде, где существует «привилегированная» система отсчета, т.е.что в состоянии покоя относительно среды, в которой они движутся, и волновое уравнение принимает различный вид для наблюдателей, находящихся в различных состояниях движения относительно среды.

Чтобы ответить на вопрос, что вибрирует: подобно тому, как состояние материальной среды (местное напряжение, деформация и другие измеряемые величины) вибрирует при распространении упругой волны, так и состояние вакуума, вибрирует: ощутимые воздействия на испытательные заряды свидетельствуют о колебательном состоянии проходящей волны. Действительно, наличие электромагнитной волны показывает, что ЭМ квантовое поле не находится в своем основном состоянии в области воздействия волны, и поэтому, строго говоря, пространство, на которое действует ЭМ волна, не является идеальным вакуумом, поскольку оно находится в возбужденное состояние в результате присутствия волны.

Я понимаю, что электромагнитные волны вызваны колебаниями электрического и магнитного полей. Но как? Существуют ли магнитные и электрические поля в воздухе или в вакууме? Как это колебание образует волну? Извините, я новичок на этом сайте, пожалуйста, просто ответьте, чтобы я мог понять.

Это очень старый вопрос, и его стало труднее понять, когда стало понятно, что между Землей и Луной, например, был вакуум, поэтому у нас больше не было костылей/оправданий, на которые можно опереться, таких как атмосфера, как-то объяснить распространение отраженного света Солнца от Луны к Земле. Или прямо с Солнца на Землю.

Вы можете посмотреть на это двумя способами. Можно сказать, что отраженный свет Луны состоит из фотонов, частиц света, которые, грубо говоря, не нуждаются в среде для путешествия, так же как Земля не нуждается в среде для движения вокруг Солнца. Солнце испускает фотоны, как пули, они отскакивают от Луны и попадают в наши глаза.

Другой, более тонкий и интересный способ взглянуть на этот процесс — взять уравнения Максвелла, изложенные в другом ответе, которые рассматривают свет как волну, состоящую из электрического поля и магнитного поля, которые меняются в пространстве и времени. но таким образом, что они создают/поддерживают друг друга по мере распространения световой волны в вакууме.

Даже Максвелл был убежден, что для переноса этой световой волны необходима какая-то среда, заявив в «Британской энциклопедии» около 1860 года, что, по сути, мы можем быть уверены, что такая среда (эфир) доступна для переноса волны.

В настоящее время эфир рассматривается как несуществующее решение, (более чем) немного отчаянная попытка объяснить то, что уже было объяснено в собственных уравнениях Максвелла.

Вы просите прямого ответа, поэтому я не буду приводить уравнения, а только один стандартный рисунок электромагнитной волны.

Источник изображения: Hyperphyics

Что вам нужно принять во внимание, так это то, что это рисунок, иллюстрирующий не реальность, которую вы могли бы увидеть в водной волне, когда бросаете камень в озеро, а рисунок, предназначенный для иллюстрации абстрактной математики. Это вводит в заблуждение, если вы думаете об этом как об обычной волне, но, возможно, это более понятно как аналогия, а не как просьба следовать уравнениям.

Три связанных примера для размышления. Заряд электрона можно почувствовать, не нуждаясь в чем-то, чтобы «нести» заряд, почти так же, как два магнита будут притягиваться друг к другу в вакууме, а также сила гравитационного поля Земли удерживает Луну на орбите, даже через нее. нет ничего, что могло бы нести эту силу.

Я собираюсь предположить, что вы можете принять это как должное, но по-своему они являются вариациями вопроса, который вы здесь задаете.

Смысл приведенного выше рисунка состоит в том, чтобы попытаться проиллюстрировать, что электрические и магнитные поля, составляющие волну, путешествуют в пространстве, сохраняя форму волны, поскольку изменяющееся электрическое поле индуцирует магнитное поле, и наоборот. (Что подчеркивается в уравнениях Максвелла). Если вы посмотрите на рисунок, вы увидите, как это работает для световой волны.

Если у вас есть электрическое поле${\vec{E}}$, скажем, за счет плотности заряда${\rho}$а заряженное тело находится в движении, то из уравнения Максвелла

$$\vec\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+{\mu_0}{\partial\vec{D}\over{\partial t}}$$ т. е. движение зарядов немедленно создает магнитное поле $\vec{B}$которое, магнитное поле, в свою очередь, создает электрическое поле, определяемое выражением $$\vec\nabla\times\vec{E}=-{\partial\vec{B}\over{\partial t}}$$ Таким образом, вам не нужно ничего, кроме уравнений Максвелла для распространения электромагнитной волны; говоря, что ЭМ-волнам для распространения нужен вакуум, вы на самом деле подразумеваете, что ЭМ-волнам не нужна среда для распространения, поскольку вакуум в классической физике означает отсутствие какой-либо среды.

Существует структура классической физики, где уравнения Максвелла описывают распространение электрических и магнитных возмущений, как описано в ответе Сайонтона Вёттачарьо.

Современная физика пришла к выводу, что базовым уровнем природы является квантово-механический. Из этой структуры возникают крупномасштабные модели поведения классической физики, подобно тому, как термодинамические уравнения возникают из лежащих в их основе уравнений статистической механики.

Электромагнитные волны создаются огромным количеством фотонов в суперпозиции. Фотоны описываются сложной волновой функцией, которая подчиняется квантованному уравнению Максвелла. В сложных выражениях электрические и магнитные поля колеблются. Этого нельзя наблюдать, когда регистрируется один фотон, поскольку у фотона просто есть энергия, нулевая масса и спин либо +1, либо -1 в направлении его движения. «Волнение» заключается в вероятности обнаружения фотона, которая является комплексно-сопряженным квадратом его волновой функции. Суперпозиция большого числа волновых функций порождает классическую волну, в которой электрическое и магнитное поля несут энергию волны. (обратите внимание, что суперпозиция — это сложение волновых функций, а не взаимодействие)

На этой диаграмме того, как поляризованный луч создается направлением вращения фотона, вы можете развить интуицию в этом вопросе.

Левая и правая круговая поляризация и связанные с ними угловые моменты.

Красная стрелка - направление максимума электрического поля (магнитное можно считать перпендикулярным к нему и направлению движения и заданным)

Квантовую теорию поля о том, как классическое поле возникает из основного квантово-механического поля (как описано в ответе WetSavannaAnimal, также известного как Род Вэнс ), можно увидеть в этой записи в блоге.

В самом прямом смысле классическая электромагнитная волна движется на фотонах.