Алеманов Сергей Борисович
Полный текст книги на сайте:
http://alemanow.narod.ru
(Фотон - это элементарное возмущение электромагнитного поля)
Показано, что все основные свойства электромагнитных волн (света), как волновые, так и корпускулярные, объясняются в рамках электродинамики и рассчитываются с помощью обычных электродинамических формул без использования постоянной Планка. При этом получается полный электродинамический расчет фотона, а не только расчет его энергии.
Иногда ошибочно считается, что электромагнитные кванты - это всегда микрочастицы (фотоны), но это неверно, потому что их длина волны может быть любой. Например, существуют электромагнитные кванты с длиной волны 21 см, свойства которых можно исследовать с помощью обычных радиоантенн, т.е. наблюдать у них электрические и магнитные потоки индукции. Таким образом, экспериментально подтверждено, что кванты электромагнитного потока излучения, как и все электромагнитные волны, имеют полевую структуру, т.е. состоят из электрических и магнитных потоков и, соответственно, на них распространяются все законы электродинамики. Поэтому, как любые электромагнитные волны, фотоны можно полностью рассчитывать чисто на основе электродинамики, используя только электромагнитные постоянные. Чтобы найти электромагнитную энергию фотона, надо посчитать энергию электрического потока и энергию магнитного потока, а потом сложить их. Электрические и магнитные потоки (поля) - это реальные физические объекты, представляющие одну из форм материи, которые обладают энергией и массой. Электрический поток - это количество электричества (единица кулон), магнитный поток - это количество магнетизма (единица вебер). Экспериментально установлено, что кулон и вебер являются квантованными физическими величинами, которые могут принимать только дискретный ряд значений. Соответственно, электромагнитные волны, из-за дискретности электрических и магнитных потоков, также являются дискретными. Фотон - это движущееся дискретное поперечное электромагнитное возмущение, состоящее из кванта электрического потока и кванта магнитного потока, представляющее возбужденное состояние поля. Дискретность энергии электромагнитных потоков излучения - это следствие дискретности энергии электрических и магнитных потоков. Согласно электродинамике, в электромагнитной волне энергия электрического потока всегда равна энергии магнитного потока. Изменяющийся электрический поток образует ток смещения Iсм = dФD/dt, а изменяющийся магнитный поток создает ЭДС U = dФB/dt, т.е. изменяющийся электромагнитный поток представляет ток смещения Iсм = dФD/dt с ЭДС U = dФB/dt и, соответственно, мощностью UIсм = dФBdФD/(dt)2.
Зная частоту изменения электрического потока индукции (частоту электромагнитного кванта), можно найти ток электрического смещения:
Iсм = 2ev,
где e - квант электрического потока (квант количества электричества) 1.602·10-19 Кл, v - частота. Магнитная энергия электромагнитного кванта:
Wм = Ф0Iсм/2,
где Ф0 - квант магнитного потока (квант количества магнетизма) 2.068·10-15 Вб. В поперечной электромагнитной волне электрическая энергия всегда равна магнитной Wэ = Wм, поэтому полная энергия электромагнитного кванта равна:
W = Wэ + Wм = 2Wм = Ф0Iсм.
Используя коэффициент пропорциональности h = 2eФ0, можно упростить выражение:
W = Ф0Iсм = 2eФ0v = hv.
Зная частоту изменения магнитного потока индукции, можно найти ЭДС:
U = 2Ф0v.
Это максимальный потенциальный барьер, который может
преодолеть, например, электрон при поглощении фотона. Об ЭДС фотонов можно
судить по падению напряжения на светодиодах. Например, для светодиодов с
красным спектром излучения с длиной волны 7·10-7 м ЭДС
примерно 1.8 В.
Эффективная мощность электромагнитного возмущения:
P = UIсм = 2Ф0v·2ev = 4eФ0v2.
Протяженность поперечного возмущения равна половине длины волны, так как в поперечном возмущении разноименные области расположены поперечно, а не продольно, что является отличием поперечного возмущения от продольного. Т.е., чтобы найти энергию, надо умножить мощность на время, равное половине периода:
W = PT/2 = 4eФ0v2/2v = 2eФ0v = hv.
В поперечной электромагнитной волне эффективный радиус, по которому течет замкнутый электрический ток смещения поля: r = λ/2π (ток всегда замкнут), где λ - длина электромагнитной волны. Когда течет круговой ток смещения поля, то смещается масса, так как поле обладает энергией и, соответственно, массой. Если умножить полевую массу фотона M = 2eФ0v/c2 на радиус кругового тока смещения поля и его скорость (скорость смещения поля равна скорости света), то получим момент количества движения полевой массы фотона:
L = Mrc = eФ0/π = h/2π.
Спиновый магнитный момент кругового тока смещения поля (магнитный момент, связанный с магнитным потоком):
Mм = Iсмπr2 = ec2/2πv = e/εε0μμ02πv.
В веществе токи смещения поля световых волн переходят в круговые поляризационные токи смещения. Т.е. происходит магнитное возмущение вещества и под действием внешнего магнитного поля может наблюдаться вращение плоскости поляризационных токов смещения, как результат прецессирования моментов количества движения электромагнитных возмущений - магнитооптический эффект Фарадея. Вращение плоскости поляризации света наблюдается только в веществе, потому что вакуумный ток смещения не отклоняется в магнитном поле и на него не действует сила Лоренца (Ампера), так как он представляет изменяющееся электрическое поле. Поляризационные же токи представляют движение зарядов, на них действует магнитное поле, поэтому и наблюдается магнитооптический эффект Фарадея.
Соотношение между ЭДС и энергией:
W = 2eФ0v = eU.
Получается, 1 В – 1.602·10-19 Дж, т.е. равен одному электронвольту. Таким образом, электромагнитный квант с ЭДС в один вольт обладает энергией, равной одному электронвольту (1 эВ = 1.602·10-19 Дж). Например, в фотоне с частотой 6·1014 Гц:
В скобках приведены электродинамические формулы (без постоянной Планка), с помощью которых рассчитываются свойства фотона - кванта электромагнитного потока излучения. Таким образом, в электромагнитных волнах дискретны токи смещения и энергия электрических и магнитных потоков. Для их вычисления достаточно знать частоту электромагнитного кванта, величину кванта электрического потока и кванта магнитного потока, либо вместо них, чисто для упрощения выражения, можно использовать коэффициент пропорциональности h = 2eФ0 = 6.626·10-34 Кл·Вб (произведение электромагнитных постоянных), представляющий квант электромагнитного потока, его еще называют квантом действия, изменяя размерность с Кл·Вб на Дж/Гц или Дж·с. Но использование только коэффициента пропорциональности не позволяет рассчитывать электродинамические параметры фотона: ток смещения, ЭДС и пр. То, что электродинамика через электромагнитные постоянные позволяет рассчитывать дискретные электромагнитные волны - фотоны, не является чем-то необычным, электродинамика и создана для того, чтобы объяснять и рассчитывать электромагнитные процессы. Расчет фотона - это обычный электродинамический расчет электромагнитного возмущения только с элементарными потоками - электрическим и магнитным. В том, что элементарная частица фотон имеет такой же электрический поток, как, например, частица электрон, также нет ничего необычного - многие частицы имеют такой же элементарный электрический поток. При движении со скоростью света этот элементарный электрический поток представляет квант магнитного потока, так как магнитный поток - это движущийся электрический поток B = μ0[vD]. В том, что частица фотон имеет электрический поток, но не имеет электрического заряда, также нет ничего необычного - электрические потоки материальны, обладают энергией (массой) и, согласно электродинамике, могут существовать без зарядов. Электрический поток, как и заряд, измеряется в кулонах и представляет количество электричества, которое всегда является дискретным - в любом виде, а не только в виде электрического заряда, и это подтверждается всеми известными экспериментальными фактами. Т.е. хотя частица фотон и не имеет заряда, но обладает количеством электричества, таким же, как и частица электрон 1.602·10-19 Кл (количество электричества может быть как в виде заряда, так и просто в виде вихревого электрического потока без заряда). Фотоны - это электромагнитные частицы, обладающие определенным количеством электричества и магнетизма. Причина дискретности фотонов та же, что и токов - количество электричества всегда дискретно.
Все кванты электромагнитного потока излучения отличаются только количественно: длиной волны, величиной тока смещения и энергией электрических и магнитных потоков. Сами же электрические и магнитные потоки у всех электромагнитных квантов одинаковы и равны кванту электрического и магнитного потоков. Т.е. у всех фотонов одинаковое количество электричества и количество магнетизма, и это является общим законом для всех элементарных частиц, например, у всех электронов также одинаковое количество электричества и количество магнетизма.
Электродинамика позволяет однозначно ответить на вопрос, что такое фотон. Фотон - это квант электромагнитного потока излучения, состоящий из кванта электрического потока (1.602·10-19 Кл) и кванта магнитного потока (2.068·10-15 Вб). Движущееся квантовое (элементарное) электромагнитное возмущение образует (возбуждает) парциальные электромагнитные волны, которые когерентны и, согласно принципу Гюйгенса, за счет интерференции, не излучаются в пространство, а движутся вместе с электромагнитным квантом как единое целое (волна де Бройля), представляя пакет парциальных волн в виде цуга.
Хочу заметить, что фотон - это первая из элементарных частиц, у которой стало известно полевое строение и удалось сделать полный расчет всех свойств. Если в учебной литературе просто написать, что элементарная частица фотон состоит из двух квантов - кванта электрического потока и кванта магнитного потока, тогда любой знающий электродинамику сможет полностью рассчитать все его свойства. Вместо этого вокруг фотона, представляющего банальное электромагнитное возмущение, состоящее из двух элементарных потоков - электрического и магнитного, понаписали столько интерпретаций и договорились до того, что свет стали считать "самым темным местом в физике". В результате все это привело к господству на протяжении почти целого века метафизического мнения, что строение фотона вообще нельзя представить и тем более рассчитать на основе электродинамики, - "Сон разума порождает чудовищ" (Гойя). Надеюсь, что в конце концов этот электродинамический расчет появится в учебниках по электродинамике. Ну а пока, если встретится утверждение будто бы электродинамика не может рассчитывать фотоны, знайте, что это не соответствует действительности.
Также надо заметить, что скорость электромагнитной волны зависит от электромагнитной проницаемости среды, а на скорость движения нейтрино проницаемость не влияет, поэтому он летит быстрее света. Например, при вспышках сверхновых звезд сначала к нам долетает нейтрино, а потом уже свет. Т.е. экспериментально установлено, что предельной скоростью является скорость нейтрино, а не скорость света.
«ЦЕРН: частицы снова обогнали
скорость света.»
http://7news.in.ua/tech/139232/
Здесь описан линейно поляризованный фотон. Циркулярно поляризованный также состоит из двух квантов - кванта электрического потока и кванта магнитного потока, но имеет циркулярно поляризованную полевую структуру. Описание структуры циркулярно поляризованного фотона оставлю молодому поколению физиков для их карьерного роста.
Теперь коротко о диссипации энергии электромагнитных волн (космологическое красное смещение).
«В реальном веществе
распространение волн всегда сопровождается потерями (диссипацией) энергии за
счет ее перехода в тепло; ...»
Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ.
«... квантовые флуктуации вакуума часто называют
нулевыми колебаниями электромагнитного поля.»
http://www.scorcher.ru/art/theory/any/kazimir.htm
В любой среде распространение волн всегда сопровождается потерями
(диссипацией) энергии, так как волновые колебания - это перекачка в самой
среде одного вида энергии в другой и наоборот. При таком физическом процессе
всегда происходит потеря энергии, которая переходит во внутреннюю энергию
среды, проявляющуюся в виде флуктуаций. Т.е., соответственно законам физики,
все волны обладают энергией и у всех физических волн происходит диссипация
энергии. Распространение волн в физическом вакууме не является исключением,
так как вакуум - это не пустота, в нем, как и в любой среде, происходят
флуктуации, которые называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.
Выведена формула диссипации (потери) кинетической энергии за один
период колебания волны де Бройля, по которой можно рассчитывать
космологическое красное смещение и эффект "аномалии Пионеров". Формула
является универсальной и подходит для всех тел и частиц, включая фотоны:
Wd = H0hс/v
(формула "вязкости физического вакуума"),
где H0 - постоянная Хаббла
(2.40 ± 0.12)·10-18 с-1, h -
постоянная Планка, с - скорость света, v - скорость частицы. Например,
если частица (тело) массой в 1 грамм (m = 0.001 кг)
летит со скоростью 10000 м/c в течение 100 лет
(t = 3155760000 сек), то волна де Бройля совершит число колебаний
S/λ = vt/λ = tmv2/h = 4.76·1047,
соответственно, диссипация кинетической энергии составит WD = tmv2/h × H0hс/v = H0сvtm = H0сpt = H0сSm = 22.7 Дж, где S -
пройденный путь S = vt, p - импульс
p = mv, λ - длина волны
λ = h/mv. При этом скорость снизится до
9997.7 м/с, а "красное смещение" волны де Бройля будет
Z = (10000 м/c - 9997.7 м/c) / 10000 м/c = 0.00023.
Из формулы видно, что диссипация кинетической энергии прямо пропорциональна
массе и пройденному расстоянию WD = H0сSm, а также импульсу и времени
WD = H0сpt, - чем больше импульс, тем больше потеря
энергии за единицу времени. Например, тело массой в 1 килограмм при
прохождении расстояния в 1 метр теряет кинетическую энергию
WD = H0сSm = 7.2·10-10 Дж.
Соответственно, сила сопротивления движению равна FD = H0сm = 7.2·10-10 Н,
а величина торможения ap = сH0 = (7.20 ± 0.36)·10-10 м/с2.
Такая же величина торможения
ap = (8.74 ± 1.33)·10-10 м/с2
(совпадает в пределах погрешности) была получена экспериментально в
результате исследования эффекта "аномалии Пионеров". Т.е. формула
Wd = H0hс/v
- рабочая, расчеты совпадают с экспериментальными данными и ей можно
пользоваться. При таком торможении
ap = сH0
получается, что если тело движется со скоростью 1 метр в секунду, то оно
остановится через t = v/сН0 = 44 года, пройдя расстояние
S = v2/2сН0 = 700000 км. Фотоны
рассчитываются аналогично, но только надо помнить, что потеря энергии не
приводит к изменению скорости. Например, потеря энергии фотона
WD = H0сvtm = H0tE = ZE, где E - энергия фотона,
а за один период колебания Wd = H0hс/v = H0h = 1.6·10-51 Дж.
Не бывает кинетической энергии без волн де Бройля, поэтому они связаны с
любой движущейся частицей, т.е. кинетическая энергия представляет волну
де Бройля. У реальных волн де Бройля (не волн вероятности), так же
как и у всех физических волн, частота колебаний равна v = v/λ.
Если преобразовать Wd = H0hс/v = H0mλс, то можно из формулы исключить
скорость. Формулу можно считать точной, так как вычисляется всего один период
колебания. То, что в формуле присутствуют только самые необходимые переменные
и нет ничего лишнего, указывает на ее фундаментальность. Удивительная по
своей простоте формула Wd = H0hс/v - это настоящий переворот в представлениях о
свойствах физического вакуума. Развеян миф о существовании в вакууме
идеальных волн, распространяющихся без диссипации. Это еще раз подтверждает
то, что любой идеализм недопустим в науке. Возможно, формула немного
опережает свое время, так как, вопреки множеству экспериментальных фактов,
еще сохранились предрассудки, что вакуум - это пустота. Физика - это
экспериментальная наука, поэтому, независимо от сохранившихся предрассудков,
только по совпадению расчетных и экспериментальных данных можно судить, что
является истиной, а что ересью. «Истина всегда рождается как ересь, а
умирает как предрассудок» (Гегель). Физический вакуум представляет
полевую среду, где даже в основном состоянии происходят квантовые флуктуации,
их еще называют нулевыми колебаниями поля. Все частицы, а не только фотоны -
это возбужденные состояния поля, которые при движении представляют волну.
Поэтому волны для всех частиц рассчитываются одинаково:
λ = h/p, соответственно, диссипация волн также
одинаковая: Wd = H0hс/v. Данная формула отражает тот факт, что у
всех волн помимо таких свойств как длина, частота и энергия имеется еще и
диссипация энергии из-за того, что при каждом колебании волны происходит
перекачка одного вида энергии в другой и наоборот. Более подробно торможение
тел в вакууме рассмотренно в статье:
"Трение космических аппаратов
о флуктуации вакуума".
Продолжение на сайте: http://alemanow.narod.ru
Загрузить полный
текст книги в упакованном виде
http://alemanow.narod.ru/zip.htm