Алеманов Сергей Борисович
Полный текст книги на сайте: http://alemanow.narod.ru

Дискретность электромагнитых волн

Фотоэффект объясняется дискретностью электрических и магнитных потоков.

«... за время dt электромагнитное поле переместится на расстояние udt. Магнитный поток uBdt выйдет за пределы контура 0AMN, а электрический поток uDdt - за пределы контура 0QPT.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.16.
 
Электромагнитный поток (поле) излучения состоит из двух движущихся потоков электрического и магнитного. Соответственно, квант электромагнитного потока излучения (фотон) по определению должен состоять из кванта электрического потока и кванта магнитного потока. Т.е. дискретность энергии электромагнитных потоков излучения (квантов света) - это следствие дискретности энергии электрических и магнитных потоков. В электромагнитной волне энергия электрического потока всегда равна энергии магнитного потока.
 
«Электрическое поле излучения, в том числе поле в поперечных электромагнитных волнах, является чисто вихревым.»
Физическая энциклопедия. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
 
Поля излучения являются дискретными, так как дискретны вихревые электрические потоки. Единица электрического потока - кулон. Экспериментально установлено, что кулон является квантованной физической величиной, которая может принимать только дискретный ряд значений. Следуя логике, если части, составляющие поток, являются дискретными, то и поток будет не непрерывный, а дискретный. Таким образом, с точки зрения электродинамики непонятно, с какого "перепуга" появились идеи о непрерывности потока излучения. Или забыли - еще в девятнадцатом веке было обнаружено, что количество электричества имеет дискретность. На сегодня все известные факты подтверждают, что кулон является квантованной физической величиной. Элементарный электрический поток равен кванту количества электричества 1.602·10^-19 Кл.
 
«Поток смещения, единица - кулон.»
Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.562.
«Кулон - это количество электричества, ...»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.146.
 
Экспериментально установлено, что количество электричества всегда дискретно, поэтому электрический ток и электромагнитные волны дискретны. Т.е. электромагнитная волна может минимально дробиться только на порции, в которых количество электричества равно 1.602·10^-19 Кл. Не надо забывать, что не только электрический ток, но и электромагнитные волны связаны с определенным количеством электричества и магнетизма, не зря же их называют электромагнитными.
 
«Кулон - ... Единица потока электрического смещения (потока электрической индукции).»
Физическая энциклопедия. КУЛОН.
 
Без представления об электрических и магнитных потоках нельзя обойтись при рассмотрении динамических полевых процессов, например, электромагнитных волн, когда электрических зарядов нет (нет заряженных частиц), но в пространстве происходит изменение полей, текут токи смещения - все это можно описать и рассчитать с помощью полевых потоков индукции. Единицы измерения: электрический поток - кулон, магнитный поток - вебер, ток смещения - ампер. Проще говоря, электрический поток - это количество электричества, магнитный поток - это количество магнетизма. Любой электрический ток связан с перемещением какого-то количества электричества (Кл/с). Например, не может быть тока смещения без движения электрических потоков, так же как не может быть тока проводимости без движения электрических зарядов. Электродинамика позволяет рассчитывать полевые процессы, даже если потоки индукции не связаны с заряженными частицами. Индукция является векторной величиной (напряженность имеет направление), поэтому ее условно представляют в виде потока, хотя на самом деле там нет никакого реального течения. Стрелки же на индукционных линиях указывают не течение, а направление индукции (возмущения). Чтобы не возникали ненужные ассоциации, можно вместо терминов "электрический поток" и "магнитный поток" использовать, например, термины "электрическое возмущение" и "магнитное возмущение", где индукционные линии указывают направление возмущения поля.
 
«... называют потоком вектора напряженности электрического поля E, хотя с этим понятием и не связано никакое реальное течение.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.25.
 
Всегда текут электрические токи проводимости и токи смещения, а электрические заряды и потоки могут как покоиться, так и двигаться. Распространяется же электрический поток в пространстве всегда со скоростью света, представляя ток электрического смещения поля. Скорость распространения электрического потока зависит от среды, в которой движется поток. Например, при движении заряженной частицы вместе с ней движется электрический поток, который распространяется в пространстве со скоростью света, представляя ток электрического смещения поля I_см = dФ_e/dt, где Ф_e - электрический поток (поток электрического смещения поля).
 
«... поле реально существует и в этом смысле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле обладает энергией, импульсом и другими физическими свойствами.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.10.
 
Поле может не иметь энергии, находясь в нулевом вакуумном состоянии, поэтому более точно: полевые потоки индукции обладают энергией (массой). Например, поток электрической индукции w_э = D²/2ε₀, поток магнитной индукции w_м = B²/2μ₀, поток гравитационной индукции w_г = -G²/8πγ, где ε₀ - электрическая постоянная, μ₀ - магнитная постоянная, γ - гравитационная постоянная, w - плотность энергии индукционного потока. Полевая энергия может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия гравитационного потока всегда имеет отрицательное значение, так как, чтобы уменьшить энергию гравитационного потока (по абсолютной величине), необходимо затратить энергию.
 
«... энергия гравитационного взаимодействия отрицательна, ...»
О физике и астрофизике. В.Л.Гинзбург. 1995. С.123.
 
Плотность полевой энергии в пространстве - это сумма плотностей энергии всех индукционных потоков:

Поле едино - согласно единой теории поля, различаются же только потоки индукции поля, т.е. единое физическое поле может проявляться в виде различных потоков индукции - потока электрического возмущения поля, потока магнитного возмущения поля, потока гравитационного возмущения поля. Например, заряды образуют электрические потоки, движущиеся заряды - магнитные потоки. Согласно современным представлениям, состояние поля с наименьшей энергией (по абсолютной величине) называется вакуумом. Таким образом, физический вакуум надо рассматривать как универсальное единое поле, в котором могут возникать полевые потоки индукции - потоки возмущения поля, представляющие напряженность полевого пространства. Такое представление вакуума как универсальной полевой среды (полевого пространства) позволяет объяснить тот факт, что напряженность (возмущение) поля может существовать отдельно от частиц.
 
«... вакуум является универсальной средой, в которой возбуждается электромагнитное поле.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.11.
«Единая теория поля - единая теория материи, ...»
Физическая энциклопедия. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.
«Очень важную роль играет состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом.»
Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.
 
Векторные поля имеют направление, поэтому для таких полей введено понятие "поток". Например, электрическая индукция - это плотность электрического потока Кл/м², магнитная индукция - это плотность магнитного потока Вб/м².
 
«Поток векторного поля - одно из понятий теории векторного поля.»
Математическая физика. Энциклопедия. ПОТОК.
 
Все векторные поля - это потоки, поэтому более правильным термином является не "электрическое поле", а "поток вектора электрической индукции" или, короче, "электрический поток", также не "магнитное поле", а "поток вектора магнитной индукции" или, короче, "магнитный поток".
 
«... поток вектора магнитной индукции, или, короче, магнитный поток Ф.»
Основы физики. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. 2000. Т.1. С.540.
 
Если не использовать термин "поток", то не всегда понятно - поле скалярное или векторное, например, электромагнитное поле осцилляторов - это скалярное поле, а электромагнитное поле излучения - векторное поле.
 
«... электромагнитное поле может быть представлено как совокупность бесконечно большого числа гармонических осцилляторов.»
ОТФ. Квантовая механика. И.В.Савельев. 1996. Т.2. С.343.
«Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве.»
Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.343.
 
Т.е. электромагнитными волнами называются возмущения скалярного электромагнитного поля. Сами же распространяющиеся возмущения представляют векторные поля в виде электрических и магнитных потоков возмущения (напряженности) поля.
 
«Скалярное поле - поле физическое, которое описывается функцией, в каждой точке пространства не изменяющейся при повороте системы координат.»
Физический энциклопедический словарь. СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ.
«Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое, а квантовая механика утверждает, что эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. ... Слово "скаляр" означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши.»
Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)
 
Состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом, представляет скалярное поле, так как нет зависимости от поворота системы координат. Т.е. с точки зрения физики правильнее называть не "вакуумное состояние поля", а "скалярное состояние поля", тем самым подчеркивая, что такое поле не чувствительно к направлению в пространстве, в отличие от векторного. Разделение поля на два состояния - вакуумное и возбужденное - это разделение на скалярное и векторное. При возникновении потока индукции (возмущения) скалярное состояние поля переходит в векторное, так как возникает зависимость от направления в пространстве. "Скалярное состояние поля", если коротко - "скалярное поле", также "векторное состояние поля", коротко - "векторное поле".
 
«... элементарный заряд играет роль кванта, ...»
Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1999. Т.3. С.7.
 
Элементарный заряд играет роль кванта электрического поля. Не существует наблюдаемых электрических полей (потоков), у которых величина электрического потока меньше, чем квант заряда (квант количества электричества), независимо от того, потенциальное поле или вихревое.
 
«Электрическое поле может быть как потенциальным, так и вихревым, ...»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.251.
«Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем, что оно не связано с электрическими зарядами, ...»
Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.189.
 
К сожалению, иногда еще электрические поля (потоки) обязательно связывают с заряженными частицами, видимо, забывая про теорию близкодействия и материальность полей. Также до сих пор существует заблуждение, что только электрические потоки, связанные с частицами, являются дискретными, а свободные от частиц электрические поля, представляющие вихревые электрические потоки, дискретности не имеют. Т.е. как бы забывают про современные квантовые представления, согласно которым все поля имеют квантовую природу. Например, дискретность магнитных потоков также никак не связана с магнитными полюсами. Квантовые свойства поля проявляются в дискретности полевых потоков и зарядов.
 
«... у поля выявляются корпускулярные свойства, ...»
Физическая энциклопедия. ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ.
 
Любые возмущения электромагнитного поля и даже просто нулевые колебания являются квантовыми.
 
«... квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.»
Американские физики получили нечто из ничего. http://www.nkj.ru/archive/articles/5158/
 
Движущийся электрический поток представляет магнитный поток B = μ₀[vD] (релятивистский эффект), где v - скорость, поэтому магнитные потоки также являются квантовыми (дискретными), как и электрические. Согласно квантовым представлениям, все поля (полевые потоки) - квантовые. Например, фотон - это элементарный электромагнитный поток, состоящий из кванта электрического потока и кванта магнитного потока, произведение которых представляет коэффициент пропорциональности постоянная Планка:

где v - частота. Т.е. чем больше плотность кванта (больше частота), тем больше его энергия. Плотность энергии электромагнитного потока в вакууме w = cDB (w = EH/c), где D - плотность электрического потока Кл/м², B - плотность магнитного потока Вб/м², c - скорость света. Таким образом, чем меньше длина волны, тем больше энергия кванта электромагнитного потока излучения, так как увеличивается плотность потоков индукции. Например, длина волны уменьшилась в два раза, соответственно, плотность электрического и магнитного потоков возросла в четыре раза, следовательно, плотность энергии электромагнитного потока (w = cDB) возросла в шестнадцать раз, но эффективный объем электромагнитного возмущения уменьшился в восемь раз, отсюда - энергия кванта электромагнитного потока возросла в два раза, т.е. энергия растет обратно пропорционально длине волны, что соответствует экспериментальным данным.
 
«Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона ...»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.384.
«... плотность энергии электромагнитного поля складывается из плотностей энергии электрического и магнитного полей.»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.258.
« [D] = Кл/м² , [B] = Вб/м² »
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.29.
 
D - это плотность электрического потока, B - плотность магнитного потока, их произведение [DB] имеет размерность Кл·Вб/м⁴ или кг/м²·с, что представляет плотность потока электромагнитной массы [DB] = mv, где m - плотность электромагнитной массы, v - скорость. Для сравнения: вектор Пойнтинга S = [EH] = wv представляет плотность потока электромагнитной энергии, где w - плотность электромагнитной энергии. Зная, что mv = DB = ε₀μ₀EH, mv/ε₀μ₀ = EH, mv/ε₀μ₀ = wv и c² = 1/ε₀μ₀, можно найти соотношение между плотностью электромагнитной массы и энергией m = ε₀μ₀w, w = mc². В среде DB = εε₀μμ₀EH, соответственно, электродинамическое соотношение между энергией и массой имеет вид m = εε₀μμ₀w = w/v² и w = mc²/εμ = mv², где ε - диэлектрическая проницаемость среды, μ - магнитная проницаемость среды, v - скорость распространения света в среде, а импульс электромагнитной волны p = εε₀μμ₀Wv = W/v = (εε₀μμ₀)^1/2W, где W - электромагнитная энергия волны. Таким образом, соотношение W = Mc² представляет лишь частный случай для вакуума. Т.е. соотношение между энергией и массой зависит от свойств среды, а формула W = Mc² - всего лишь частный случай электродинамического соотношения M = εε₀μμ₀W (формула электромагнитной массы), где масса, имея полевое происхождение, зависит от электромагнитной проницаемости среды. Скорость света - это скорость распространения электрических и магнитных потоков индукции v = (εε₀μμ₀)^-1/2. Также надо заметить, что импульс электромагнитного кванта не p = W/c, как написано в некоторых учебниках, а p = (εε₀μμ₀)^1/2W, т.е., как и у всех электромагнитных волн, он зависит от электромагнитной проницаемости среды. Длина волны электромагнитного кванта λ = 2eФ₀/εε₀μμ₀Wv = 2eФ₀/(εε₀μμ₀)^1/2W. Электромагнитная масса фотона M = εε₀μμ₀2eФ₀v, т.е., как и все электромагнитные волны, фотоны обладают электромагнитной массой. В электромагнитной волне масса электрического потока равна массе магнитного потока, соответственно, в фотоне M_э = M_м = εε₀μμ₀eФ₀v.
 
«... всякая энергия обладает массой: масса равна энергии, деленной на квадрат скорости света.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.24.
 
Это, действительно, так: масса - это свойство энергии. Т.е. не масса обладает энергией, а энергия обладает таким физическим свойством, как масса. Например, энергия фотона остается постоянной, а масса меняется в зависимости от среды, в которой он находится M = εε₀μμ₀W. Для фотонов формула W = Mc² (M = ε₀μ₀W) подходит только для вакуума, так как в ней не учитываются диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, влияющие на скорость движения фотонов (электромагнитных волн) и, соответственно, влияющие на соотношение между энергией и массой фотонов: M = εε₀μμ₀W. В веществе электромагнитная масса фотона увеличивается за счет вовлечения диэлектрической среды в электромагнитные колебания. Заряженные частицы вещества, участвующие в колебаниях и образующие поляризационные токи смещения, имеют массу, поэтому, несмотря на то, что энергия электромагнитной волны фотона остается прежней, ее масса возрастает. Т.е., когда фотон распространяется в веществе, часть его энергии находится в колеблющихся частицах вещества, которые обладают массой, отсюда увеличение массы и импульса фотона. К фотону как бы "прилипает" дополнительная масса вещества, что и замедляет его движение. Соответственно, электромагнитный импульс фотона в веществе p = (εε₀μμ₀)^1/2W, а не p = W/c. Также изменяется создаваемое фотонами давление. У фотона масса растет при снижении скорости, в отличие от других частиц, у которых масса растет при увеличении скорости. Из формулы видно, что при приближении скорости к нулю, масса фотона будет стремиться к бесконечности. Формулу M = εε₀μμ₀W можно представить, как W = Mv², где v - реальная скорость света v = (εε₀μμ₀)^-1/2. Хочу заметить, что формулы электромагнитной массы M = εε₀μμ₀W и импульса p = (εε₀μμ₀)^1/2W не удалось найти ни в одной книге по электродинамике (видимо, придется ответственность за авторство брать на себя). Зато везде можно встретить формулы W = Mc² и p = W/c, где скромно умалчивается, что это всего лишь частный случай для вакуума.
 
«Импульс электромагнитного поля p = W/c, ... получим p = mc = W/c, откуда W = mc².»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.301.
 
Эти формулы выведены только для вакуума, при этом как бы забывают, что свойства электромагнитных волн определяются электрическими и магнитными свойствами среды, в которой они распространяются, т.е. свойства среды влияют на скорость, длину волны, массу и импульс. В учебниках можно встретить формулу для фотона λ = h/p, откуда следует, что p = (εε₀μμ₀)^1/2W, так как длина волны фотона зависит от свойств среды λ = h/(εε₀μμ₀)^1/2W.
 
«... в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется соотношением E = hv, а масса m = h/ λc.»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.319.
«Фотон ... квант электромагнитного излучения.»
Физический энциклопедический словарь. ФОТОН.
 
Точнее, фотон - квант электромагнитного потока излучения, так как электромагнитное излучение состоит из двух потоков электрического и магнитного, представляя электромагнитный поток излучения.
 
«Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны, ...»
Физическая энциклопедия. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.
 
Фотоны, представляя электромагнитные волны, состоят из электрических и магнитных потоков. Поэтому квантами электромагнитного поля являются квант электрического потока и квант магнитного потока, а уже из них состоит квант электромагнитного потока излучения - фотон.
 
«Существование кванта магнитного потока отражает квантовую природу явлений магнетизма.»
Физический энциклопедический словарь. КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА.
 
Существование кванта электрического потока и кванта магнитного потока вытекает из обобщения экспериментальных фактов (физика - экспериментальная наука) - всегда наблюдаются только дискретные потоки. Согласно современным представлениям, все поля как потенциальные, так и вихревые имеют квантовую природу. Надо заметить, что первоначально квантовые свойства были обнаружены у вихревых полей. Например, фотоны - это электромагнитные волны, состоящие из вихревых электрических и магнитных полей W_э = W_м = hv/2, где W_э - энергия вихревого электрического поля, W_м - энергия вихревого магнитного поля, h - постоянная Планка, v - частота фотона. Т.е. квантовые свойства электрических и магнитных потоков никак не связаны с зарядами или магнитными полюсами. Квант электрического потока - это квант электрического возмущения электромагнитного поля, квант магнитного потока - это квант магнитного возмущения электромагнитного поля.

Продолжение на сайте:  http://alemanow.narod.ru
 
Загрузить полный текст книги в упакованном виде
http://alemanow.narod.ru/zip.htm