Мы тут, задумались почему так сложно изобразить плоскую синусоидальную электромагнитную волну?
Пока свет был «водяной волной» все же просто было.
Была стабильная, хотя и затухающая конструкция под названием «волновой фронт», которая двигалась в соответствии с направлением сдвинутой изначально среды. То есть, куда изначально, при образовании гребня среда сдвинулась, туда и продолжает сдвигаться. Хотя эта конструкция и состоит из фазы/противофазы никаких колебаний волновой фронт не испытывает – так и движется одним конгломератом.
Смена же фазы на противофазу, то есть, некие колебания характерны исключительно для неких стационарных точек среды, в которых проходит наша волна. Например, обозначим такую точку в луже растением.
А ноль – это вовсе не «исчезновение» чего-то, это отсутствие изменения.
И фаза очень отличается от противофазы по физическому смыслу. Если мы будем смотреть на нашу волну не сбоку, по ходу движения волны, а «в фас», когда ось х будет восприниматься точкой
Мы увидим, что фаза представляет собой среду, а противофаза – ее отсутствие в этой точке.
Таким образом, у водяной волны имеется движение гребня, обусловленное изначальным сдвигом среды. Это, собственно, и есть волна. И имеются некоторые колебательные последствия для точек пространства при ее прохождении. Если отслеживать только гребень, не обращая внимания на остальную среду, то волна, вполне себе, двигается без всяких колебаний.
Другими словами, не волна обусловлена колебаниями, а колебания обусловлены волной. В частности, поэтому энергия водяной волны никак не зависит от частоты колебаний, она зависит от амплитуды (величины гребня).
Потом пришел Максвелл.
Пока он занимался проводниками с током, и электромагнитными полями вокруг них, тоже все было замечательно. Но получив однажды циферку 9*10^16, Максвелл решил, что это скорость света в квадрате, а значит и свет –
это электромагнитные поля, только – волна.
И тут начались сложности.
Первая сложность заключается в том, что ток в проводнике имеет определенное направление, вектора электрического и магнитного полей (Е; Н) перпендикулярны направлению тока. А электромагнитная волна получает совсем другое направление (каким образом?). Вектора Е и Н вынуждены перестраиваться перпендикулярно уже относительно этого направления. К тому же, все это построение вдруг начинает удаляться от проводника. Так вот, причина и механизм перехода от стационарного поля вокруг проводника к волне никак мотивирован. И соответственно, не объяснен.
Вторую сложность художественно обрисовал Фейнман, когда сказал, что фотон – это то, что останется от вращающегося блюдца после того как блюдце уберут.
У Максвелла имелись вполне осязаемые проводник с переменным током, конденсатор, источник …. Соответственно, ток, электрические и магнитные поля, и даже ток смещения. Если как Фейнман, убрать проводник, конденсатор, источник, то на практике исчезнут и ток, и поля, но в теории останется ток смещения, поскольку он, все равно, несколько не ток.
«Из всех физических свойств, присущих действительному току, ток смещения обладает лишь одним – способностью создавать магнитное поле.» - (И. В. Савельев, «Курс общей физики».)
А где магнитное, там и электрическое. Вот вам и волна. Правда, опять не в том направлении. И если источник выключить, то ток в цепи исчезнет вместе с током смещения. Поскольку ток смещения сопутствует обыкновенному току, входит в понятие «полный ток», а вовсе не является самостоятельным. Но это мелочи. Мы почему так смело намекаем на ток смещения как основу электромагнитной волны? Потому, что существует зависимость между током и величиной вектора Е. ϳ=σЕ. То есть, без определенной величины тока – будет неопределенной величина векторов электрической составляющей, или вообще не будет. Да и самой волны до него не было.
Третья сложность, это наличие чудного объяснения изменения векторов Е и Н в фиксированной точке, и отсутствие объяснения механизма движения волны. Фаза и противофаза в физическом смысле совершенно одинаковы, отличаются только направлением векторов электрического и магнитного. Что обусловлено разным направлением тока при переменном токе.
Но такая же конструкция, как «волновой фронт» у водяной волны, у электромагнитной волны отсутствует. Иначе, впереди шествовало бы через все точки пространства что-нибудь вроде
И в результате, банально нет механизма, заставляющего передавать колебания электромагнитных полей с одной точки пространства к другой в направлении движения.
Надо сказать, что света Максвелл и не получил. И проводников с переменным током в природе – нет.
P/S: Мы в этой статье не ставили задачу выяснить, что такое свет. Если кому интересно, то свет – это частица. Легко образуется и при отсутствии проводников с переменным током.
Мы выясняли шансы на существование плоской синусоидальной электромагнитной волны.
Во-первых, напряженность не может никуда «лететь». Она обычно вокруг чего-нибудь, то есть, для ее наличия и изменения нужна причина. И в учебнике, кстати, ничего не говориться, что она куда-то летит, она там «изменяется по гармоническому закону» в фиксированной точке. А про то, что что-то (что) отрывается и улетает вообще не говорится. Очень грубо, но для наглядности:
Во-вторых, не нужно все время вспоминать график синусоиды. График – это не волна, это график. Даже если он на осциллографе. К тому же, синусоида на графике будет получаться только в случае, если по оси у – будет напряженность вектора Е, а по оси х – время. Если по оси х будут метры, то график будет напоминать нашу муху, поскольку все изменения по гармоническому закону происходят в одной точке, согласно описанию.