Электромагнитное поле и кванты

Я решил запустить цикл статей, посвященных очень важному в физике феномену- электромагнитное поле. Обозначу сразу - хотя я очень стараюсь следовать с изложением материала в фарватере линии официальной науки, но, свои пять копеек внести не откажусь. Поэтому, свой канал считаю околонаучным, рассчитанный на тех, кому интересна физика, ее история, знаменитые ученые разных эпох, ну и главное - это разные интересные идеи, которые не очень далеки от «генеральной линии партии».

• Электромагнитное поле – это вид полевой материи, единая субстанциональная среда, которая является той частью Вселенной, где справедливы законы электромагнетизма

Для "рождения" электромагнитного поля не нужен никакой источник, не нужны материальные частицы- это поле единая фундаментальная среда- существует самостоятельно с момента рождения Вселенной и является той ее частью, где "работают" законы электромагнетизма. Масштабность и размеры этого поля трудно объективно представить. Просто нужно понять - оно почти везде и очень-очень огромное. Абстрактное представления поля- это бесконечный океан электромагнетизма Вселенной. Т.к. поле единое целое, тогда и физические законы электромагнетизма в разных точках поля Вселенной такие, как в любой его точке - одинаковые. Это принципиально важно тем, что изучив электромагнетизм в земной лаборатории, можно описывать электромагнитные явления, которые происходят в разных точках электромагнитного поля Вселенной, на расстояниях многих сотен, тысячах, миллионах и т.д. световых лет от нас. Не смотря на то, что электромагнитное поле едино, само поле не является однородным и изотропным - в разных точках этого поля электромагнитные показатели могут различаться, тем самым определяя в них индивидуальность и изменчивость электромагнитных процессов, порождая разнообразие в проявлениях электромагнетизма разных частей Вселенной. Целостность электромагнитного поля не дает возможность "выдернуть" и "оторвать" его часть:

• Электромагнитное поле является одним целым, неразделяемым и неразрывным полем Вселенной

Если вдруг когда-нибудь получится, отделить часть поля от его целого - это будет означать зарождение новой "параллельной" вселенной. Поэтому, попытки локально «выдернуть» или "оторвать" часть электромагнитного поля- скорее всего обречены на неудачу - нельзя ножом разрезать и разделить воду в океане. Хотя.....такая идея интересная - взять и отрезать кусок поля, изолировать его от родителя и создать новую вселенную, но это лишь пока фантазия. Возможно в этом заключается суть "кротовых нор". Об этом позже..

Целостность и бесконечность электромагнитного поля дает еще одно важное свойство- его невозможно локально "сдвинуть", никаких локальных механических движений с электромагнитным полем осуществить не получится. И это вполне логично - раз невозможно "отрезать" часть поля, тогда придется "сдвинуть" все поле, а оно бесконечно большое и очень-очень-очень тяжелое - даже античные Боги-Силачи не справятся с такой задачей. т.е. нет возможности для механических перемещений ни самого поля, ни его "частей"- оно неподвижно.

И тут возникает соблазн - раз поле неподвижно, может возможно его использовать как особую систему отсчета - абсолютную. Об этом мечтают многие "эфирщики" и "антирелятивисты". И тут снова не получится- к электромагнитному полю нельзя механически "привязаться" и "зацепиться", нельзя связать с ним точку отсчета. Это немеханическая среда.

• Электромагнитное поле является механически неподвижным, его невозможно локально "сдвинуть", на него невозможно действовать чисто механически и невозможно связать с ним систему отсчета. Электромагнитное поле не обладает механическими свойствами.

Однако в некоторых случаях электромагнитное поле способно само оказывать силовое воздействие через электромагнитные силы (Кулона и Лоренца) на некоторые виды материи - участвовать в механических процессах с физическими телами и частицами материи, обладающими особым фундаментальным свойством- электрическим зарядом. Об этом все будет подробно изложено в следующих статьях.

• Электромагнитное поле может оказывать силовое(механическое) воздействие через электромагнитные силы (Кулона и Лоренца) на другие виды материи, обладающие электрическим зарядом.

В науке существует два основных способа математического описания/представления электромагнитного поля: классический и квантовый:

• Классический способ - это волновой способ описания в теории Дж.Максвелла, основанный на опытах и представлениях М.Фарадея;

• Квантовый способ- в рамках идей квантовой теории поля.

Исторически первым был классический волновой способ описанный в известных трудах Дж.Максвелла во второй половине XIX века (1855-1880) и он успешно использовался для описания электромагнетизма на макроскопическом уровне, этот способ и сегодня не теряет свою эффективность. Спустя примерно 50 лет, уже в ХX веке (1920-1930) в науку ворвалась квантовая механика и появились идеи описать электромагнетизм на микроскопическом уровне в терминах квантовой теории поля. Так сложилось, что оба способа находились в "недружественном" между собой отношении, сторонники каждого способа противопоставляли эти описания между собой. Но, я уверен, что эти два разных подходя прекрасно сочетаются вместе. Нужно только правильно их "подружить". В будущих публикациях я напишу про оба способа подробно. А сейчас очень кратко.\

В классическом волновом описании электромагнитное поле описывается физическими величинами E и H (интенсивностью двух переменных полей):

E- интенсивность переменного электрического поля;

H -интенсивность переменного магнитного поля.

В теории Дж. Максвелла, эти переменные поля являются составными полями электромагнитного поля. Поля называются переменными потому, что интенсивность этих двух полей (описываемая величинами E и H) изменяется во времени и изменяется не просто а бы как, а строго- синфазно и по гармоническому зону. Такой процесс условно можно представить в виде волнового процесса-плоской монохроматической волны. Тогда электромагнитное поле можно представить в виде суммы (суперпозиции) плоских монохроматических волн с частотой ? и длиной волны ? , которые описывают интенсивность переменного электрического и переменного магнитного полей в любой его точке и в любой момент времени. Каждая такая волна обладает энергией. Т.к. мы представили электромагнитное поле в виде суммы (суперпозиции) плоских монохроматических волн, тогда логично предположить то, что энергия самого поля равна сумме энергий всех его плоских волн. Что из этого следует? Чем больше число волн и чем выше энергия каждой волны- тем выше энергия самого электромагнитного поля, и наоборот. А отсутствие волн будет означать, что энергия электромагнитного поля равна нулю. Т.е. в этом случае электромагнетизм "выключатся". При таком подходе за элементарную единицу электромагнитного поля можно считать волновую единицу- плоскую монохроматическую волну и можно смело утверждать, что электромагнитное поле состоит из суммы(суперпозиции) плоских монохроматических волн.

Очень упрощенное и неправильное графическое представление плоской монохроматической волны. Но, для начального понимания сути вполне подходит.

• Классическое электромагнитное поле состоит из суммы (суперпозиции) плоских монохроматических волн.

В квантовом описании электромагнитное поле состоит из бесконечного большого числа его единичных элементов- квантовых гармонических осцилляторов. Каждый квантовый гармонический осциллятор обладает набором только определенных (дискретных) значений величин энергии E и потенциала V, т.е. величина энергии и потенциала квантового гармонического осциллятора может принимать не все возможные значения, а лишь определенные и дискретные значения. Все это называется состоянием квантового осциллятора

Графическое представление квантового гармонического осциллятора с набором дискретных значений его энергий E и величиной потенциала

Состояние квантового гармонического осциллятора определяет энергию электромагнитного поля в любой его произвольной точке в любое время, а бесконечно большое число осцилляторов определяют само бесконечное электромагнитное поле и его состояние , т.е. "частицей" квантового электромагнитного поля является квантовый гармонический осциллятор, а его состояние определяется его энергией и потенциалом.

• Квантовое электромагнитное поле состоит из бесконечно большого числа квантовых гармонических осцилляторов, которые образуют единое электромагнитное поле.

• Состояние гармонического осциллятора определяется его энергией и потенциалом, т.е. энергией электромагнитного поля в каждой его точке, в любое время. Энергия и потенциал гармонического осциллятора могут принимать только определенные дискретные значения.

В этом весь смысл, что существуют только определенные дискретные энергетические состояния гармонического осциллятора, а значит и определенные изменения его состояния. Другими словами - изменение состояния гармонического осциллятора есть дискретное изменение его энергии, т.е. способность отдавать или принимать энергию порциями - квантами. Такие кванты называются фотонами.

• Фотон – квант электромагнитной энергии, т.е. порция электромагнитной энергии передающейся в электромагнитном поле при помощи гармонических осцилляторов.

• Элементарной частицей материи самого электромагнитного поля является не фотон, а гармонический осциллятор.

Еще немного о фотоне- зачастую ошибочно фотон понимается как «квант электромагнитного поля», его элементарная частица, т.е. то, из чего состоит само поле. Да, фотон является проявлением электромагнитного поля- порцией его энергии, но фотон не частица самого поля.

• Фотон - это один из способов описания изменения энергетического состояния гармонического осциллятора квантового электромагнитного поля.

Фотон - это тоже модель, конечно, никакой реальной частицы "фотон" не существует. Есть определенные энергетические состояния гармонического осциллятора, изменением которых и является фотон.

Если бы удалось человеку попасть на трехмерную поверхность электромагнитного поля, то можно было бы увидеть его "кипящую" поверхность электромагнитного океана- "работу" возбужденных гармонических осцилляторов - передачу энергии в виде фотонов. Каждый такой горбыль волны представляет собой то, что мы называем фотоном - возбужденным состоянием гармонического осциллятора.

Поэтому, представлять фотон как некую частицу, да и еще "летящую" в пространстве- это очень вредно для понимания процесса. Фотон описывает в каком состоянии находится электромагнитное поле в определенной его точке и в определённый момент времени, а состояние какого-либо участка электромагнитного поля описывается количеством и энергией находящихся там фотонов, и для этого нужно знать сколько и какие у участка поля фотоны в нужное время. Сам фотон никуда не летит, т.к. лететь нечему - это изменение энергетического состояния гармонического осциллятора, которое распространяется, т.е. передается другим (соседним) гармоническим осцилляторам электромагнитного поля со скоростью 300 тыс. км/сек -скорость распространения электромагнитной энергии в вакууме, что в просторечии называется "скоростью света"..Т.е. фотон - это энергия электромагнитного поля- распространяется в нем в волновом виде со скоростью света.

Проявление одиночного фотона в одном из экспериментов Марко Беллини (Marco Bellini) из Национального института оптики во Флоренции (Италия)

Исходя из вышеизложенного нужно понимать, что для распространения фотонов, т.е. порций электромагнитной энергии нужна субстанциональная среда, условно ее назвали -физический вакуум, состоящий из "кипящих" гармонических осцилляторов, которую аккуратно можно также назвать светоносный эфир, только нужно учесть то, о чем я написал выше- это субстанциональная среда неподвижна механически и к ней нельзя прикрепить систему отсчета.

Конечно, очень хотелось увидеть и «достать» из поля сам гармонический осциллятор - это сделать вполне возможно, но примерно также, как и достать содержимое куриного яйца- нужно повредить скорлупу яйца -"разломить" гармонический осциллятор. Если передать гармоническому осциллятору необходимое количество энергии, а затем разбить его "скорлупу", для этого поместить его в таком накаченном энергетическом состоянии в очень-очень сильное электрическое поле- то "скорлупа" "лопнет" и содержимое квантового гармонического осциллятора появится в виде электрон-позитронной пары. Называется такая возможность рождения электрон-позитронной пары из "ниоткуда", т.е. из окружающего нас электромагнитного поля вакуума-эффектом Швингера.

Рождение электрон-позитронной пары из электромагнитного поля вакуума в гиперсильном электрическом поле. Т.е. материальное проявление существования гармонического осциллятора в виде электрон-позитронной пары

Поэтому, квантовый гармонический осциллятор- это не просто удобная модель- это модель хорошо описывает свойства электромагнитного поля в любой его точке.