Волны де Бройля

Присоединенные волны

«Крупные открытия в области физики (например, ... корпускулярно-волновой дуализм и взаимопревращаемость двух форм материи - вещества и поля, ... и др.) всегда были связаны с борьбой материализма и идеализма.»

Курс физики. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. 2000. С.4.

Основная проблема, связанная с волнами де Бройля, - это различие материалистической и идеалистической точек зрения на природу полей, т.е. признается или нет материальность поля. Если материальность поля признается, то и проблемы на самом деле нет - волна де Бройля естественным образом представляет волновой пакет, образованный полевыми парциальными волнами, который движется с частицей как единое целое в виде присоединенной волны.

Например, если объект совершает колебания в среде, то такие возмущения среды образуют волны, которые расходятся (излучаются). Если же объект движется равномерно и прямолинейно, то в каждой точке, через которую он проходит, также возникает возмущение среды и соответственно возникают волны, которые начинают распространяться. Но так как волны, возникающие во всех точках, через которые прошел объект, оказываются когерентными, то они, интерферируя между собой, гасят друг друга и излучение волн не происходит, т.е. колебания среды можно наблюдать только вблизи от точек, через которые прошел объект. На больших же расстояниях волны полностью гасят друг друга и колебания среды не наблюдаются. Таким образом, с объектом движется присоединенная волна, представляющая пакет парциальных волн, которая не образует излучения.

«К волнам можно отнести любые последовательные пространственно-временные изменения поля ...»

Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ.

Поле, как и любая материя, может находиться в возмущенном и невозмущенном состоянии. Движущиеся возмущения поля представляют волны. Например, электрон обладает электрическим и магнитным потоками (электрическим полем и магнитным моментом), т.е. электрон обладает электромагнитным потоком и при движении, так же как и фотон, представляет движущееся электромагнитное возмущение. Равномерно движущееся электромагнитное возмущение поля образует присоединенную волну, которая движется с электроном как единое целое, так как при равномерном движении излучение не возникает - все парциальные электромагнитные волны, интерферируя, гасят друг друга. Любой движущийся заряд представляет движущееся электромагнитное возмущение поля и образует парциальные волны. При движении заряда, кроме потенциального (постоянного) поля, появляются вихревые (переменные) поля, т.е. возникает переменная составляющая поля в виде волнового электромагнитного поля.

«Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц электромагнитное поле "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн.»

Физический энциклопедический словарь. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Такое идеализированное объяснение не раскрывает саму физику процесса. На самом же деле при ускоренном движении частиц нарушается когерентность парциальных электромагнитных волн и они "отрываются" от частиц в виде излучения.

«... электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, движущимися с ускорением.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.349.

Если более точно, то парциальные электромагнитные волны возбуждаются при любом движении электрических зарядов, но при ускоренном движении нарушается когерентность парциальных электромагнитных волн и они не могут, распространяясь в пространстве, погасить друг друга, что и наблюдается как излучение. Парциальные волны, так же как и любые волны, обладают энергией. Надо заметить, что источником парциальных волн является не сам заряд, а возмущение поля, которое движется с электрическим зарядом, представляя переменное поле. Движущееся возмущение поля вместе с парциальными волнами образует присоединенную волну.

Согласно физике волновых процессов, существуют как расплывающиеся, так и нерасплывающиеся волновые пакеты. Например, нерасплывающийся электромагнитный волновой пакет возникает при равномерном движении электрического заряда.

«В когерентном состоянии гармонического осциллятора волновой пакет не расплывается, а его центр движется по классической траектории. ... Например, классический ток, создаваемый движущимися электрическими зарядами, излучает фотоны, находящиеся в когерентном состоянии.»

Физическая энциклопедия. КОГЕРЕНТНОЕ СОСТОЯНИЕ.

При равномерном движении заряда все возникающие парциальные фотоны оказываются когерентными, поэтому, интерферируя между собой, представляют нерасплывающийся волновой пакет - присоединенную электромагнитную волну. При этом свойства волнового пакета являются квантовыми, так как он образован электромагнитными квантами - парциальными фотонами. Если движутся вместе несколько зарядов, то парциальные фотоны от всех зарядов, интерферируя между собой, образуют единый волновой пакет. Так как при равномерном движении заряда парциальные фотоны из-за интерференции не излучаются, то их можно рассматривать как виртуальные фотоны. Такие виртуальные фотоны, хотя и не могут излучаться, но их можно наблюдать в виде вихревого электромагнитного поля, окружающего движущийся заряд. Парциальные фотоны обладают энергией, но при равномерном движении заряда они, интерферируя в окружающем пространстве, полностью гасят друг друга. Это по сути означает, что их энергия в сумме равна нулю, т.е. в результате суперпозиции волн энергия одних парциальных фотонов как бы отрицательна по отношению к энергии других парциальных фотонов. Когда же энергия парциальных фотонов в сумме становится не равной нулю (волны не гасят друг друга) - возникает излучение. С движущимся зарядом всегда движется электромагнитное возмущение, которое обладает электромагнитной энергией и своим движением возбуждает парциальные (отдельные, элементарные) электромагнитные волны (виртуальные фотоны), которые также обладают энергией, но при равномерном движении их энергия в сумме равна нулю (волны в процессе излучения полностью гасят друг друга).

При движении заряда в пространстве изменяется электрическое смещение поля, что представляет ток смещения в виде вихревого электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле. Таким образом, движение зарядов сопровождается вихревыми электрическими и магнитными полями - электромагнитными возмущениями, но для нерелятивистских скоростей энергия вихревого электрического поля ничтожно мала по сравнению с энергией магнитного поля, поэтому при расчете ей можно пренебречь. Если же скорость заряда приближается к скорости света, то энергия вихревого электрического поля приближается к энергии магнитного поля и при расчете электромагнитной энергии ее необходимо учитывать: Wэ/Wм = v2/c2, где Wэ - энергия вихревого электрического поля, Wм - энергия вихревого магнитного поля, v - скорость движения заряда, c - скорость света.

«Таким образом, уже рассмотрение электрического поля простейшей системы - равномерно движущегося заряда - показывает, что иногда ГE не равно нулю, т.е. в природе существует наряду с потенциальным качественно новое, вихревое электрическое поле.»

Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1998. Т.2. С.273.

«Благодаря наличию магнитного поля энергия шара увеличилась на величину Wм. Это увеличение можно трактовать как увеличение кинетической энергии или как возрастание массы шара на величину электромагнитной массы.»

Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.60.

«Магнитное поле движущегося заряда переменно, так как даже при v = const радиус-вектор r изменяется и по модулю и по направлению.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.237.

Переменное магнитное поле является источником электромагнитных волн, но при равномерном движении заряженных частиц все возникающие парциальные волны, интерферируя между собой, гасят друг друга. Т.е. равномерно движущиеся частицы сопровождаются присоединенными волнами, которые не могут излучаться из-за интерференции. Если же изменяется скорость движения, то парциальные волны становятся некогерентными, т.е. не могут, интерферируя, погасить друг друга - возникает излучение.

«При равномерном движении частицы эти волны оказываются когерентными и поэтому интерферируют между собой.»

Волновые процессы. И.Е.Иродов. 1999. С.241.

«Для каждого значения l длины волны излучения можно найти такое значение l = lal, при котором D = l/2, так что элементарные волны гасят друг друга ...»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.400.

«По принципу Гюйгенса в результате интерференции парциальные волны гасят друг друга всюду, за исключением их общей огибающей, которой соответствует волновая поверхность света, распространяющегося в среде.»

Физическая энциклопедия. ЧЕРЕНКОВА - ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ.

Чтобы парциальные волны могли создать излучение, они должны быть либо некогерентными, либо иметь общую огибающую. Т.е., согласно физике волновых процессов, если парциальные волны когерентны и не имеют общей огибающей, то излучение возникнуть не может. Данное правило, представляя по сути закон излучения, действует во всех случаях независимо от того, происходит движение с ускорением или нет. Когда же в учебной литературе встречается утверждение, что при движении заряженных частиц с ускорением всегда возникает излучение, то это на самом деле неверно, так как в некоторых случаях при движении с ускорением может сохраняться когерентность парциальных волн и излучение не возникает. С другой стороны, при движении без ускорения не всегда парциальные волны когерентны и может возникать излучение, например, если среда неоднородна и в ней изменяется скорость распространения волн. Таким образом, излучение возникает не от того, какое движение - с ускорением или нет, а от того, нарушается или нет когерентность парциальных волн и имеется ли у них общая огибающая. Хотя когерентные парциальные волны, не имеющие общей огибающей, нельзя наблюдать в виде излучения, но они, как и любые когерентные волны, могут образовывать интерференционную картину, что можно наблюдать экспериментально, например, при прохождении парциального волнового пакета через отверстия.

«Если же разность фаз постоянна во времени, то такие колебания (и волны) называют когерентными.»

Волновые процессы. И.Е.Иродов. 1999. С.81.

«... когерентностью называют согласованное протекание колебательных (волновых) процессов.»

Волновые процессы. И.Е.Иродов. 1999. С.85.

Любое движение электрических зарядов образует электромагнитные волны, но из-за интерференции они не всегда могут излучаться. Такие присоединенные электромагнитные волны, представляя присоединенную электромагнитную энергию, могут начать распространяться самостоятельно (излучаться), например, при торможении заряженных частиц или когда частицы движутся по орбитам, на которых не укладывается целое число длин волн, т.е. когда движение волн несинфазное - нет когерентности.

«... стационарными являются лишь те орбиты, на которых укладывается целое число волн ...»

Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.357.

Синфазные орбиты, на которых укладывается целое число волн, называются боровскими. Скорость движения по таким орбитам равномерная и возникающие вторичные волны оказываются когерентными, т.е. каждая точка орбиты является источником парциальных волн, которые когерентны. Согласно принципу Гюйгенса, эти парциальные волны, не имея общей огибающей, не могут излучаться. При переходе с орбиты на орбиту когерентность нарушается - возникает излучение. Таким образом, согласно принципу Гюйгенса, стационарными являются лишь те орбиты, на которых укладывается целое число волн, так как возникающие при этом вторичные волны полностью гасят друг друга, не излучаясь. Такие орбиты с замкнутыми волнами называются боровскими.

Свойства парциальных волн гасить друг друга часто используется на практике, например, направленные вибраторные антенны. Электромагнитное возмущение распространяется вдоль вибраторов и каждый вибратор является источником когерентных парциальных волн, которые, гася друг друга, почти не создают излучения в боковом направлении. Если вибраторы расположить по кругу, так чтобы укладывалось целое число длин волн, то в идеале излучаться электромагнитные волны не будут, так как, интерферируя в окружающем пространстве, полностью погасят друг друга. Т.е. электромагнитные колебания вокруг вибраторов представляют движущуюся по кругу (замкнутую) присоединенную электромагнитную волну, которую можно наблюдать только в окружающем пространстве вблизи вибраторов. Присоединенная электромагнитная волна состоит из электрических и магнитных потоков индукции и, как все волны, обладает энергией. Распределение плотности электромагнитной энергии в пространстве представляет интерференционную картину, образованную парциальными волнами и зависит от числа волн, которое укладывается на орбите. Возникающая интерференционная картина идентична распределению электронной плотности вокруг ядра атома.

Движение электрона сопровождается электромагнитным возмущением, образующим присоединенную электромагнитную волну, т.е. полевые потоки индукции, окружающие частицу, при движении образуют волну - волновое электромагнитное поле (волновой пакет). Поэтому при прохождении электронов, например, через отверстия может наблюдаться интерференция электромагнитных потоков, что индукционно отражается на движении электронов (изменить направление движения частицы может только полевой поток).

«Явление же дифракции доказывает, что в прохождении каждого электрона участвуют оба отверстия - и первое и второе.»

Курс физики. И.В.Савельев. 1989. Т.3. С.55.

Рассмотрим волновые процессы наглядно, например, проведем эксперименты в водяной ванне: движением объекта создается возмущение на поверхности воды - если объект движется быстрее скорости распространения волн, то от него расходятся волны (как от корабля), т.е. возникает излучение (излучение Черенкова), так как у парциальных волн появляется общая огибающая. Когда же объект движется равномерно со скоростью, не превышающей скорости распространения волн, то возмущение в виде волны, сопровождая движущийся объект, не образует расходящихся волн - парциальные волны гасят друг друга, не излучаясь. Т.е. возникает интерференция волн между собой и они гасят друг друга в окружающем пространстве, не излучаясь, образуя присоединенную волну, которая в зависимости от интерференционной картины может представлять как цуг волн, так и одиночное возмущение. Чтобы возникло излучение, движение должно быть либо быстрее скорости распространения волн, либо переменным. Длина присоединенной волны зависит от скорости движения объекта и присоединенной массы - чем выше скорость, тем больше напряженность возмущения среды и тем быстрее среда возвращается в исходное состояние, т.е. длина волны обратно пропорциональна скорости (импульсу) объекта, а энергия растет вместе с частотой. Такая зависимость присуща всем присоединенным волнам. Движущийся объект, кроме основного центрального возмущения, состоящего из двух разноименных областей, за счет интерференции вторичных волн может образовывать соседние возмущения (цуг парциальных волн), амплитуда которых убывает с увеличением расстояния от объекта. Т.е. присоединенная волна имеет определенную длину когерентности. Особенность присоединенной волны в том, что она при равномерном движении не излучается, представляя присоединенную энергию. Присоединенные волны, как и любые волны, могут образовывать дифракцию и интерференцию. Аналогичным образом в полевом пространстве возникают присоединенные волны де Бройля, которые сопровождают любую движущуюся микрочастицу (согласно современным представлениям, частицы - это возбужденные состояния поля).

«В таком подходе частицы выступают как возбужденные состояния системы (поля).»

Физическая энциклопедия. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ.

«Волны де Бройля - волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, ...»

Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ.

Любое движущееся возмущение поля образует парциальные волны. Так как частицы - это возбужденные состояния поля, то при их движении всегда будут возникать полевые парциальные волны, которые при равномерном движении из-за интерференции не излучаются и движутся с частицами как единое целое в виде нерасплывающихся волновых пакетов - присоединенных волн. Все поля являются квантовыми, соответственно, и волновой пакет, имея полевую природу, также будет обладать квантовыми свойствами.

Такие явления, как присоединенная масса и присоединенная волна давно уже рассмотрены в физике, поэтому присоединенные волны де Бройля не являются чем-то необычным. Т.е. с точки зрения физики - это обычный волновой процесс как, например, дифракция или интерференция и для объяснения которого не требуется придумывать каких-либо интерпретаций. Волны де Бройля - это вторичные волны, которые возникают при движении, но которые из-за интерференции не могут излучаться и представляют присоединенные волны, т.е. переносятся с частицами как единое целое. Волны де Бройля, представляя волновые поля, отражают полевую структуру движущихся частиц.

«При равномерном движении объекта в однородной среде излучение возможно, только если он движется со скоростью, превышающей скорость распространения волн в этой среде, т.е. при "сверхволновом" - сверхзвуковом, "сверхсветовом" и т.д. движении. Возмущение, создаваемое движущимся телом, как бы "сдувается" средой. ... При движении в однородной среде со скоростью V < vф эти возмущения переносятся с телом как единое целое.»

Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ.

Т.е. эти возмущения, представляя волновой пакет парциальных волн, движутся с телом как единое целое, не излучаясь, в виде присоединенной волны. Таким образом, с точки зрения физики волновых процессов, волна де Бройля - это обычный волновой пакет полевого происхождения. Частица и присоединенная волна де Бройля как единое целое представляют взаимосвязь вещества и волнового поля, т.е. частицы могут иметь не только потенциальные, но и волновые