Главная страница "Белые пятна в физике"

 

 

 Что правильней - фотон с волновыми свойствами или дискретность электромагнитной волны?

 

 

Физически электромагнитная волна дискретна, теоретически - нет. Это основное противоречие волновой теории. Устранение этого противоречия из теории позволяет перерейти от волновой теории света к единой теории света.

Электромагнитная природа света описывается в волновой теории света системой уравнений (1) для электромагнитной волны. В соответствии с этой системой уравнений, электромагнитная волна не дискретна. С другой стороны, невозможно представить фотон, который соответствовал бы системе уравнений (1). Но есть выход, если в систему уравнений ввести ещё одно уравнение, описывающее третий вектор, изменяющийся в противофазе. Математическое описание это сильно не меняет, но даёт возможность физического существования фотона, обладающего волновыми характеристиками.

В электромагнитной теории сейчас есть два вектора, отображающие реально существующие физические поля:  - напряжённость электрического поля,  - напряжённость магнитного поля. Изменение этих векторов описывает система уравнений (1):

Эти уравнения описывают два вектора  и , которые изменяются в одной фазе, поэтому независимый колебательный процесс в таком кванте электромагнитного излучения невозможен (рис 1).

Именно этот вывод привёл авторов электромагнитной теории к предположению, что кванты электромагнитного излучения не являются самостоятельными физическими объектами, а лишь возмущениями твёрдого вакуума или эфира. Но к этому заключению привёл теорию не физический эксперимент, а представление физиков об этом физическом эксперименте.

Для перехода к единой теории  света нужно иметь третий физический вектор, изменяющийся в противофазе по отношению к электрическому и магнитному. В электромагнитной теории есть такой вектор. Это импульс электромагнитного поля . Если воспользоваться принципом эквивалентности Эйнштейна, можно импульс электромагнитного поля  преобразовать в гравитационный импульс .

«Аналогия между силами тяготения и силами инерции лежит в основе принципа эквивалентности гравитационных сил и сил инерции (принципа эквивалентности Эйнштейна): все физические явления в поле сил тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы. Этот принцип является основой общей теории относительности».[3]

                           

Рис. 1.   Вектора  и   в бегущей электромагнитной волне изменяются в одной фазе.

 

 Из принципа эквивалентности Эйнштейна следует равенство инерционной и гравитационной масс:

 

,                                     (2)

В настоящее время это равенство доказано экспериментально с достаточно большой точностью. Из (2) следует равенство инерционного импульса  и гравитационного импульса:

 

,                                       (3)  

 

Инерционный импульс равен элементарному вектору Умова – Пойнтинга, гравитационный импульс кванта  также ему равен.

 

,               (4)

где  - вектор Умова – Пойнтинга каждого кванта электромагнитного излучения,

 - гравитационная масса кванта,  - скорость света.

В соответствии с (2), гравитационный импульс кванта можно преобразовать в гравитационную составляющую кванта:

,                    (5)

Гравитационная составляющая кванта физически эквивалентна гравитационной массе кванта.

При переходе к единой теории электромагнитного излучения  целесообразно ввести гравитационную проницаемость среды , в которой распространяется электромагнитное излучение.

 

,                                             (6)

 

Система уравнений единой теории электромагнитного излучения состоит из трёх уравнений. Для этого к системе уравнений (7)  добавляется  уравнение (8), описывающее гравитационную составляющую кванта . Это уравнение было впервые предложено в [14] и [15].

где e и m - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды,

 - гравитационная проницаемость среды,

 - постоянная Планка,  - скорость света.

Независимое существование кванта с внутренним колебательным процессом возможно вследствие сдвига электромагнитной и гравитационной составляющей на , и их взаимного преобразования.

Теоретическая возможность колебательного процесса внутри каждого кванта электромагнитного излучения позволяет решить сразу две нерешаемые проблемы электромагнитной теории – проблему поперечного направления электромагнитных колебаний и проблему противоречия электромагнитной теории закону сохранения энергии.

Для колебаний такого кванта не нужно ни твёрдого эфира, ни физического вакуума, ни электромагнитного поля, поскольку колебания кванта являются внутренними. Соответственно, не нужно ставить эксперименты по обнаружению эфира.

Закон сохранения энергии в едином кванте также соблюдается автоматически – сумма гравитационной и электромагнитной энергии в кванте всегда равна общей энергии кванта.

 

 Анализ процесса открытия фотонов  

 

Квантовая оптика, предложенная М. Планком и развитая в дальнейшем А. Эйнштейном, не трансформировалась в единую теорию света потому, что не сопровождалась корректной физической моделью. Она не смогла объяснить важнейшие физические явления - отражение, преломление, дифракцию и интерференцию света. Простейшая задачка о полупрозрачном зеркале ставила квантовую оптику в тупик. Теория не могла ответить на вопрос - в чём заключается отличие квантов, прошедших зеркало, от квантов, отразившихся от него.  

Ошибка квантовой теории заключалась в предположении о точечных размерах квантов света. Это предположение никогда не было выведено теоретически и никогда не было подтверждено экспериментально. Это предположение было вызвано тем, что физикам нечем было заполнить структуру кванта, хотя эксперименты по разложению кванта на составляющие его части давно проведены и хорошо известны.

 «Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискетными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона .

Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

 ,                                       (9)

Фотон – элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света  и имеет массу покоя, равную нулю». [3]

Точечный бесструктурный фотон не может иметь волновых свойств.

 Фотон, имеющий волновые свойства, должен иметь внутреннюю структуру и протяжённые размеры.

Для определения этой структуры нужно поставить физический эксперимент, показывающий сложную структуру фотона. Эти эксперименты давно проведены. Они показали, что сложная структура кванта электромагнитного излучения проявляется при любом взаимодействии электромагнитного излучения с веществом – интерференции, дифракции, отражении и преломлении.

Структуру фотона может также показать прямой эксперимент по разложению фотона на составляющие его части. Этот эксперимент также был давно проведён. 

«При повышении энергии фотонов все более и более проявляется их корпускулярные свойства. Это наглядно проявляется в фотоэффекте, в эффекте Комптона, а при дальнейшем повышении энергии обнаруживается еще одно кардинальное свойство фотонов, заключающееся в том, что они превращаются в электрически заряженные частицы - электрон и позитрон (положительный электрон). Это явление возникает тогда, когда фотоны достигают энергии, величина которой удовлетворяет условию:

 

,                            (10)                     

где  - масса покоя электрона;  - скорость света.

Такие фотоны вблизи ядер атомов превращаются в пару частиц: электрон и позитрон, а фотон исчезает. Таким образом, имеет место порождение заряженных частиц фотонами высоких энергий. Этот процесс принадлежит к числу таких процессов, когда происходят коренные преобразования вещества. При наблюдении в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, электронно-позитронная пара, порождаемая  - фотоном, образует «вилку», являющуюся следом электрона и позитрона, как это схематически показано на рис. 2.

  

   Рис.2  След распада фотона в камере Вильсона.

 

В точке М камеры Вильсона происходит превращение фотона в электронно - позитронную пару. Под действием магнитного поля движущиеся электрон и позитрон отклоняются в противоположные стороны. При очень сильном магнитном поле траектории электрона и позитрона могут превратиться в окружности.

Наряду с порождением частиц фотонами высоких энергий может иметь место и обратный процесс - превращение электрона и позитрона в два или большее число  - фотонов.

Этот процесс называется не вполне удачно аннигиляцией электрона и позитрона».  [2]

Если бы фотон представлял собой точечную бесструктурную частицу, то наличие любого количества энергии не служило бы поводом для его распада. Но если в состав фотона входит электронно - позитронная  пара, то наличие энергии равной, или большей условию (10), является принципиальным.  В этом случае наличие такого количества энергии позволяет электрону и позитрону при определённых условиях получать собственную массу покоя и выходить из состава  фотона.

Таким образом, эксперимент по разложению фотона на составляющие его части показал, что в состав кванта электромагнитного излучения входит электронно – позитронная пара.

 

Сложная структура фотона  

 

В квантовой теории электромагнитного излучения квант имеет  ширину, зависящую от его фазы, но не превышающую половину длины волны. При движении кванта вдоль оси  происходит постоянная осцилляция электронно – позитронной пары, входящей в структуру кванта, влияющая на изменение ширины кванта.   

Рис. 3. Четыре фазы движения единого кванта  электромагнитного излучения.

 

На рисунке 3 есть пять точек  экстремума на протяжении длины волны: точки 0, , , , . Эти точки разбивают участок, равный  на четыре интервала, в которых динамика векторов  ,  и  образует четыре не повторяющиеся комбинации.

Назовем эти четыре интервала условно фазами кванта и рассмотрим эти фазы последовательно.

Динамика составляющих кванта  ,  и  (рис.3), показывает изменение напряжённостей физических полей внутри единого кванта электромагнитного излучения.

 

Первая фаза движения кванта: .

В  первой фазе происходит удаление электрона от позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей электронно-позитронной паре, входящей в структуру кванта  (рис. 4,б).

                а)                                                    б)                           

 

Рис. 4. Первая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в первой фазе.

 

За счёт удаления электрона от позитрона увеличивается напряженность электрического поля кванта  от нуля в точке 0 до максимума в точке . За счёт этого же процесса происходит увеличение напряженности магнитного поля кванта от нуля до максимума. Этот процесс происходит при движении кванта со скоростью света вдоль оси .

При движении кванта вдоль оси  происходит постоянное уменьшение вектора гравитационной составляющей кванта  от максимума в точке 0 до нуля в точке .

В первой фазе энергия гравитационного поля кванта преобразуется в  энергию электромагнитного поля кванта.

  Осцилляция электронно – позитронной пары и взаимное преобразование полей в кванте происходит со скоростью света .

 

Вторая фаза движения  кванта: .

В этой фазе кванта происходит непрерывное уменьшение вектора напряженности электромагнитной составляющей кванта  и  за счёт сближения электрона и позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей электронно-позитронной паре, входящей в структуру кванта, при его движении вдоль оси .

 Максимальное значение электромагнитная составляющая кванта имеет в точке , и уменьшается до нуля в точке .

Во второй фазе кванта направление векторов  и  остаётся таким же, как и в первой фазе.

               а)                                                       б)                           

     

Рис. 5. Вторая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона во второй фазе.

 

При движении кванта вдоль оси  происходит непрерывное  увеличение вектора гравитационного поля кванта  от нуля в точке   до максимума в точке  .

В этой фазе энергия электромагнитной составляющей кванта преобразуется в энергию гравитационной составляющей  кванта.

 

Третья фаза движения  кванта: .

В этой фазе, при движении кванта электромагнитного излучения со скоростью света вдоль оси , происходит удаление электрона от позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей электронно-позитронной паре.     

               а)                                           б)                           

 

Рис. 6. Третья фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в третьей фазе.

           

При этом движении происходит увеличение напряженности электромагнитной составляющей кванта  и   от нуля в точке  до максимального значения в точке .        

Третья фаза отличается от первой фазы противоположным направлением осцилляции электронно – позитронной пары (рис.6,б) кванта.

При движении кванта вдоль оси  происходит уменьшение напряжённости гравитационной составляющей кванта  от максимального значения в точке  до нуля в точке .

 В третьей фазе энергия гравитационной составляющей кванта преобразуется   в  энергию электромагнитной составляющей кванта.

 

Четвёртая фаза движения кванта: .

В этой фазе происходит уменьшение вектора напряженности электрической составляющей кванта   за счёт сближения со скоростью света постоянно осциллирующей электронно-позитронной пары, входящей в структуру фотона. За счёт этого же процесса происходит уменьшение вектора  напряженности магнитной составляющей кванта . При движении кванта электромагнитного излучения вдоль оси  со скоростью света от точки  до точки , электромагнитное поле кванта уменьшается от максимума в точке  до нуля в точке .

 

                           а)                                           б)                           

 

Рис. 7. Четвёртая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в четвёртой фазе.

 

В четвёртой фазе кванта направление векторов  и  остаётся таким же, как и в третьей фазе, но  противоположным их направлению в первой и второй фазах. Это происходит потому, что электрон и позитрон в третьей и четвёртой фазе меняются местами по отношению к их положению в первой и второй фазах кванта. В этой фазе электромагнитная составляющая имеет отрицательную полярность (рис.7,б).

При движении кванта вдоль оси  от точки   до точки  происходит постоянное  увеличение напряжённости гравитационной составляющей кванта  от нуля в точке   до максимального значения  в точке .

В четвёртой фазе энергия электромагнитной составляющей кванта преобразуется в энергию гравитационной составляющей  кванта.

В точках 0, ,  и т.д., квант существует только в виде гравитационной составляющей, в точках  и  квант существует только в виде электромагнитной составляющей.

При описании электромагнитного излучения с позиций единой теории электромагнитного излучения можно использовать геометрическое изображение процесса, но это изображение принципиально отличается от его описания существующей геометрической оптикой. При геометрическом изображении траектории кванта, необходимо учитывать ширину электромагнитной составляющей кванта, изменяющуюся от 0 в точках   и т.д., до  в точках   и т.д.

Единая теория электромагнитного излучения даёт возможность независимого существования фотона в виде частицы со сложной внутренней структурой и внутренним колебательным процессом. Это позволяет устранить все проблемы и исправить ошибки в теории электромагнитного излучения, существующие сейчас.

 

 

Литература

 

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Издательство Мир, 1976.

2.  Королев Ф.А.  Курс физики.  Оптика,  атомная и ядерная физика: Учеб. пособие для студентов физ.-мат.  фак. пед. ин-тов. 2-е изд., перераб.  М., Просвещение, 1974.

3.  Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

4.    Ландсберг Г.С. Оптика 5 -е изд. М., 1976.

5. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М., «Советское радио» 1962.

6. Харрик Н., Спектроскопия внутреннего отражения, пер с англ., М., 1970.

7. Специальные электрические источники и преобразователи энергии; п/р д.т.н. Алиевского А.М. 2-е перераб. изд. М., Энергоатомиздат, 1993.

8. Советский энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия». 1985.

9. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М., «Высшая школа». 1995.

10. Калитиевский Н. И. Волновая оптика. 2-е. Изд., М., 1978.

11. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика).

12. Джеммер М. Понятие массы в классической и современной физике, пер. с англ. М.,

13. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М., Квантовая  механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974.(теоретическая физика. т.3).

14.  Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Проектирование новых физических технологий. Вопросы  оборонной техники.  Научно - технический сборник. № 1-2. М., Н.Т.Ц. «Информтехника»  1995.

15.      Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Квантовая физическая модель электрического тока. Тула, 1997.

16.       Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Физическое моделирование электромагнитного излучения с применением гравитации. Тула, 1997.

17.       Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Единое физическое моделирование электромагнитного излучения. Тула, 1997.

18.      Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.



каталог сайтов
Hosted by uCoz