Существует ли единое всеохватывающее электромагнитное поле? Или электромагнитные поля существуют отдельно и генерируются индивидуально?

Обычно мы описываем электромагнитное поле, используя электромагнитный четырехпотенциал , который представлен как$\mathbf{A}$. Из четырех потенциалов мы получаем электрические и магнитные поля, используя:

где$\phi$представляет собой электрический потенциал . Очень важно понимать, что значения, которые мы получаем для$\mathbf{E}$и$\mathbf{B}$зависят от координат, под которыми я подразумеваю, что наблюдатели в разных системах отсчета будут измерять разные значения для$\mathbf{E}$и$\mathbf{B}$. Вы можете увидеть это очень легко. Предположим, что в моей системе координат у меня есть покоящийся заряд, и в этом случае этот заряд создает статическое электрическое поле, а не магнитное поле. Если вы двигаетесь относительно меня, то вы наблюдаете движущийся заряд, т.е. ток, а токи генерируют магнитные поля.

Итак, если вы рассматриваете всеохватывающее поле, это должно быть четыре потенциала. Но четырехпотенциал не является физическим объектом. Это функция пространства-времени. Если вы подадите в функцию точку пространства-времени, она вернет вектор, описывающий электрический и магнитный потенциалы в этой точке.

В принципе, четырехпотенциал является функцией положения и скорости каждого заряда, присутствующего где-либо во Вселенной. На практике мы обычно обнаруживаем, что можем игнорировать удаленные заряды, поэтому четырехпотенциальный потенциал является функцией только конечного числа зарядов:

Но функция$f_A$можно разбить на сумму отдельных функций для каждого заряда:

и мы могли бы написать это как:

где вы можете рассматривать$\mathbf{A}_0$как четырехпотенциал заряда 0 и так далее.

Теперь вернемся к вашему вопросу:

В каждой точке пространства-времени существует только одно значение$\mathbf{A}$. Четыре потенциала не могут одновременно иметь более одного значения. Однако мы можем записать это значение как сумму четырех потенциалов каждого заряда.

Таким образом, в некотором смысле существует единственный электромагнитный четырехпотенциал, но также и в том смысле, что существует множество отдельных электромагнитных четырехпотенциалов, которые в сумме дают единственное значение в каждой точке.

Я думаю, что из этих интерпретаций вы предпочитаете философию, а не физику. Я считаю, что существует единый четырехпотенциал, и его можно математически разложить на отдельные компоненты.

Ответ У.Барнетта является маханием рукой в ​​рамках квантовой электродинамики.

Ответ Джона Ренни находится в рамках классической электродинамики.

Сначала давайте определим, что такое поле в физике:

В физике поле — это физическая величина, имеющая значение для каждой точки пространства и времени.

.......

Поле можно классифицировать как скалярное поле, векторное поле, спинорное поле или тензорное поле в зависимости от того, является ли представляемая физическая величина скаляром, вектором, спинором или тензором соответственно. Поле имеет уникальный тензорный характер в каждой точке, где оно определено: т. е. поле не может быть скалярным полем где-то и векторным полем где-то еще.

.....

При этом внутри каждой категории (скалярной, векторной, тензорной) поле может быть либо классическим полем, либо квантовым полем, в зависимости от того, характеризуется ли оно соответственно числами или квантовыми операторами.

Так что, говоря о полях, нужно ясно держать в уме апельсины и яблоки.

Классическая структура проста, и можно предположить, что единственное потенциальное поле является основным полем. В ответе Джона электромагнитный четырехпотенциал (вектор четырех) - это поле, которое определено в каждой (x, y, z, t) точке пространства. Это может быть ноль, отсутствие энергии в этой точке или иметь какие-то значения, потому что поблизости существует заряд, или проходит электромагнитная волна (классическое электромагнитное излучение).

Когда кто-то спускается к квантово-механическому микрокосму частиц, он имеет дело с квантовой теорией поля, и в этой структуре поля являются операторами рождения и уничтожения, определенными для всех (x, y, z, t). Эти операторы, воздействующие на волновую функцию в точке (x,y,z,t), будут генерировать фотон, если они являются операторами рождения и уничтожения фотона, или электрон, или мюон, или... в зависимости от того, какое рождение поля ( аннигиляции) операторами они являются. В этом смысл того, что все пространство пронизано полями операторов создания/уничтожения.

Переходя к вашему вопросу:

Хороший способ сформулировать мой вопрос с использованием такого словаря: «Существует ли электромагнитный континуум или это просто отдельные электромагнитные поля и колебания?»

Это зависит от того, на какие рамки, классические или квантово-динамические опирается точка зрения. В классической формулировке ответа Джона достаточно, можно определить четырехвекторное поле, оно не является «электромагнитным», но этим полем могут быть созданы и электричество, и магнетизм, и излучение.

В квантово-механической формулировке с операторами рождения и уничтожения будет поле операторов с созданием и уничтожением фотонов, которые создают электрические и магнитные поля. Также и само излучение, будучи фотоном, постоянно создается (впереди) и уничтожается (сзади), устремляясь по геодезической в ​​сторону бесконечности или взаимодействия.

Таким образом, нечто более сложное, чем электромагнитный континуум, представляет реальность, которую мы наблюдали и измеряли.

Я должен добавить, что классическая структура плавно выходит из квантовой электродинамической структуры, как это описал Любош Моттл в своем блоге. Классические поля возникают в результате слияния бесчисленных фотонов.

Теперь ваш мысленный эксперимент с двумя щелями не имеет отношения к приведенному выше обсуждению, поскольку он будет зависеть от граничных условий эксперимента, будет ли квантово-механическое решение, дающее вероятность нахождения фотона на (x, y) экрана на z покажет интерференцию. Два независимых лазерных луча могут показывать интерференцию , в зависимости от граничных условий.