Когда мы говорим об электромагнитной волне или явлении, которое переносит энергию, информацию и делает возможным само восприятие мира, возникает почти философский вопрос... а нужна ли ей вообще среда, чтобы распространяться?
На первый взгляд да. Ведь почти все волны, которые мы знаем, нуждаются в материальной среде. Звуку требуется воздух, морским волнам вода, сейсмическим каменная порода.
Волна это всегда колебание среды. Нет среды - нет и волны.
Но электромагнитные волны - это исключение. Они могут двигаться в абсолютной пустоте, сквозь космический вакуум, где нет ни молекул, ни атомов. И всё же они распространяются с постоянной скоростью 299 792 458 м/с.
Как это возможно?
Волна без среды или физический парадокс
В XIX веке физики пытались объяснить распространение электромагнитных волн через концепцию эфира - гипотетической среды, заполняющей всё пространство.
Однако эксперимент Майкельсона–Морли (1887 г.) не обнаружил никакого ветра эфира и признаков его существования. Из этого сделали логичный вывод - никакой среды нет, а электромагнитные волны способны двигаться сами по себе.
Это стало началом эры теории Максвелла, квантовой физики и, наконец, относительности Эйнштейна, которая утвердила постулат, что скорость электромагнитных волн (в том числе света) постоянна во всех инерциальных системах, независимо от движения источника или наблюдателя.
Но всё ли объяснено?
Если рассматривать волны буквально, остаётся нестыковка.
Как маленький источник создаёт гигантскую структуру, подчиняющуюся волновым законам и при этом каждый фотон в этом море сохраняет свою индивидуальную энергию, не теряя её даже на расстоянии миллиардов километров?
Ответ квантовой механики звучит непривычно: электромагнитная волна не существует как волна в привычном смысле. Она существует как волновая функция - математическое описание вероятности того, где и с какой энергией мы можем обнаружить фотон.
Когда фотон действительно ловится волновая функция коллапсирует, и событие становится реальностью. Такое объяснение работает математически, но вызывает ощущение, что мы больше оперируем формулами, чем пониманием.
Некоторые современные интерпретации физики допускают, что пространство не так уж пусто. Квантовая теория поля утверждает, что вакуум - это не ничто, а бурлящее море виртуальных частиц, постоянно возникающих и исчезающих.
И в каком-то смысле это новый эфир, только не классический, а квантовый. Он не является веществом, но всё же задаёт структуру, через которую распространяются поля и электромагнитные волны.
Можно сказать, что электромагнитные волны действительно движутся в среде - просто эта среда не имеет привычных нам свойств.
Макс Планк показал, что энергия электромагнитного излучения испускается не непрерывно, а квантами - фотонами.
Это не отменяет волновую природу электромагнитных колебаний, а дополняет её. Волна описывает поведение большого числа фотонов, а квант взаимодействие отдельного.
Так и получается, что электромагнитная волна - это нечто третье. Не волна и не частица, а процесс взаимодействия поля и пространства.
Почему гипотеза промежуточной среды не умерла окончательно?
Сегодня термин эфир звучит архаично, но сама идея о некой структуре, в которой живут поля и фотоны известна под другими именами. В физике высоких энергий говорят о квантовом вакууме, в космологии - о тканях пространства-времени, в теории струн - о многомерных полях.
Можно сказать, что физика снова ищет ту самую среду, но теперь понимает, что она не обязательно материальна.
Так нужна ли электромагнитной волне среда?
Ответ и да, и нет. Если понимать среду как вещество нет. Электромагнитная волна может двигаться в вакууме. Если понимать её как структуру пространства, квантовое поле или само пространство-время - да, именно она и есть «среда», в которой волны существуют.
Электромагнитной волне не нужно что-то, чтобы существовать - она сама делает пространство видимым и измеримым.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями