Свойства фотона
«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.
«Введение тока смещения в уравнение позволило Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн, ...»
Физическая энциклопедия. СМЕЩЕНИЯ ТОК.
Введение тока смещения позволило Максвеллу полностью представить полевую структуру электромагнитных возмущений, вывести уравнения и тем самым предсказать существование электромагнитных волн. Аналогичная ситуация и с электромагнитными квантами. К сожалению, в физической литературе, рассматривая кванты электромагнитного потока излучения, даже не упоминают о токах смещения, т.е. как бы забывают об их электромагнитной природе и о том, что без таких понятий, как электрический поток, магнитный поток и ток смещения просто нельзя обойтись при рассмотрении любых электромагнитных возмущений.
«Иначе говоря, возникает ток смещения, который также будет возбуждать магнитное поле, параллельное оси Y. ... Это и есть электромагнитные волны, или электромагнитные возмущения.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.15.
Т.е. в электромагнитной волне вихревое электрическое поле (вихревой поток электрического смещения) представляет ток смещения, образующий магнитное поле.
«Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект - порождение магнитного поля переменным электрическим полем ("током смещения").»
Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.
«... осями "вихрей" магнитного поля в вакууме служат линии плотности "электрического тока смещения".»
Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1998. Т.2. С.274.
Так как количество электричества (Кл) дискретно, то, соответственно, все электрические токи (Кл/с) дискретны - токи проводимости, токи поляризации и токи смещения. При этом полный ток всегда является замкнутым. Электрические токи могут взаимопревращаться, например, в антенне токи проводимости могут перейти в замкнутые электрические токи смещения, которые, распространяясь в пространстве, могут снова в антенне перейти в токи проводимости.
Примеры расчетов токов смещения приведены в учебниках.
«Пример. В вакууме распространяется плоская гармоническая линейно поляризованная электромагнитная волна ... Найти амплитудное значение плотности тока смещения в этой волне.»
Волновые процессы. И.Е.Иродов. 1999. С.45.
Ток смещения Iсм = dФe/dt, где Фe - переменный (вихревой) электрический поток. Дискретность электрических токов смещения в поперечных электромагнитных волнах (в вихревых потоках электрического смещения поля) Iсм = 2ev, где e - квант электрического потока (заряда), v - частота. Эффективный радиус, по которому течет замкнутый ток смещения: r = l/2p, где l - длина волны. Электродинамика позволяет рассчитывать дискретные электромагнитные волны - фотоны без использования коэффициента пропорциональности постоянной Планка, используя только электромагнитные постоянные, при этом расчет получается более полным. Т.е. электродинамика позволяет провести полный электродинамический расчет фотона, а не только примитивный расчет его энергии с помощью постоянной Планка.
«... постоянной Планка называется коэффициент пропорциональности ...»
Квантовая физика. И.Е.Иродов. 2001. С.11.
«Электромагнитные постоянные. Элементарный заряд e ... Квант магнитного потока Ф0 ...»
Физические величины (справочник). 1991. С.1234
В теоретической физике желательно не пользоваться коэффициентами пропорциональности, так как теряется физическая суть выражений и формулы приобретают неестественный вид. Зачем вводить лишние сущности, если можно обойтись без них, т.е. без кванта электрического заряда (потока) и кванта магнитного потока обойтись нельзя, так как это электромагнитные постоянные, а их произведение 2eФ0 = 6.626·10-34 Кл·Вб, представляя коэффициент пропорциональности (постоянная Планка), является лишней сущностью. Например, если идти таким путем, то, умножив величину кванта заряда на скорость света, можно получить еще один коэффициент пропорциональности (еще одну лишнюю сущность) и т.д. Таким образом, существование постоянной Планка противоречит принципу Оккама, отсюда и возникают искусственные трудности.
«Не следует без необходимости умножать сущности.»
У.Оккам.
«Фундаментальные физические постоянные. Заряд электрона. Квант магнитного потока.»
Физический энциклопедический словарь.
Т.е. нет никакой необходимости в искусственной замене фундаментальных электромагнитных постоянных различными фундаментальными коэффициентами пропорциональности. От этого физика становится только более запутанной и возникает необходимость в различных странных теориях и интерпретациях. В итоге это проявляется как уход от объективной реальности, например, в учебной литературе почти не упоминается, что постоянная Планка - это всего лишь произведение электромагнитных постоянных h = 2eФ0, а его физическая размерность Кл·Вб. Электромагнитная волна состоит из электрического потока, измеряемого в кулонах, и магнитного потока, измеряемого в веберах, и если вместо лишней сущности - постоянной Планка использовать обычные электромагнитные постоянные, то формулы приобретают нормальный электродинамический вид, что еще раз подтверждает правильность принципа Оккама.
«Зная постоянную Планка, можно найти кванты энергии для колебаний с различными частотами.»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.338.
В результате у изучающих складывается ошибочное представление, что кванты электромагнитного потока излучения являются дискретными не по причине дискретности электрических и магнитных потоков, из которых они на самом деле и состоят, а из-за какого-то непонятного коэффициента пропорциональности. В физике желательно называть вещи своими именами, т.е., если фотон представляет квант электромагнитного потока излучения, то и в формуле, естественно, должны стоять квант электрического потока и квант магнитного потока W = 2eФ0v, а не их произведение в виде коэффициента пропорциональности - постоянной Планка W = hv. Получается два варианта - либо в расчетах использовать коэффициент пропорциональности, не понимая его физической сути, либо просто рассчитывать дискретные электромагнитные волны - фотоны на основе электродинамики, исходя из материальности и дискретности электрических и магнитных потоков. Энергия любой электромагнитной волны - это сумма энергий электрического и магнитного потоков, при этом электрическая энергия всегда равна магнитной. Также и в любой дискретной электромагнитной волне энергия электрического потока равна энергии магнитного потока Wэ = Wм = eФ0v, т.е. электромагнитная энергия W = Wэ + Wм = 2eФ0v (в электронвольтах W = 2Ф0v). К сожалению, в учебной литературе всегда приводится только один вариант расчета энергии фотонов с использованием коэффициента пропорциональности - постоянной Планка, а о расчете на основе электродинамики даже не упоминается, как будто фотоны - это не электромагнитные волны. Например, существуют электромагнитные кванты с длиной волны 21 см, свойства которых можно исследовать с помощью обычных радиоантенн, т.е. наблюдать у них электрические и магнитные потоки индукции. Таким образом, экспериментально подтверждено, что кванты электромагнитного потока излучения, как и все электромагнитные волны, имеют полевую структуру, т.е. состоят из электрических и магнитных потоков, а метафизическое утверждение, будто бы электромагнитные кванты не имеют структуры - это просто идеалистический вымысел. Все кванты электромагнитного потока излучения имеют полевую структуру и отличаются только количественно - длиной волны, т.е. отличаются величиной тока смещения и энергией электрических и магнитных потоков. Сами же электрические и магнитные потоки у всех электромагнитных квантов одинаковы и равны кванту электрического и магнитного потоков.
Согласно Максвеллу, токи смещения могут течь в электродинамическом вакууме самостоятельно (без токов проводимости), при этом они всегда являются замкнутыми, например, представляя вихревые электрические поля. Введение электрического тока смещения в уравнение позволило Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн, но в то время трудно было предвидеть квантовую природу полей и дискретность токов, приводящих к одному из следствий - дискретности электромагнитных волн.
«... в уравнениях не учитывается ни дискретная структура электрических зарядов и токов, ни квантовый характер самих полей.»
Физическая энциклопедия. МАКСВЕЛЛА УРАВНЕНИЯ.
Нельзя упрекать Максвелла в том, что, рассматривая электродинамические процессы, он не учитывал квантовый характер зарядов и полей, и тем самым не предвидел дискретность электрических токов и электромагнитных волн (жил в XIX веке). Исходя из современных представлений, при расчетах в электродинамике необходимо учитывать дискретность электрических зарядов, токов и квантовый характер самих полей (потоков, возмущений). Векторные поля, согласно электродинамике, - это потоки индукции, т.е. квантовый характер полей - это квантовый (дискретный) характер электрических и магнитных потоков индукции.
Электродинамика Максвелла, учитывающая квантовую природу полей и дискретность токов, является квантовой, и она стала квантовой (независимо от ее названия) с того момента, когда было установлено, что заряды имеют квантовую природу (1897). В такой квантовой электродинамике Максвелла (КЭДМ) квантами поля являются элементарные электрические заряды (кванты заряда), а не фотоны (кванты света), как в КЭД, что позволяет рассчитывать дискретные электромагнитные волны. При этом фотоны представлены естественным образом как дискретные вихревые потоки электрического смещения поля, которые, согласно B = m0[vD], также обладают магнитной индукцией, т.е. представляют дискретные электромагнитные потоки. Таким образом, согласно КЭДМ, фотон представляет элементарный электромагнитный поток, состоящий из кванта электрического потока и кванта магнитного потока.
Если в уравнениях учитывать квантовый характер полей и дискретную структуру токов смещения, то в расчетах электромагнитных волн появляется дискретность, что соответствует принципу корпускулярно-волнового дуализма. Квант электромагнитного потока излучения состоит из кванта электрического потока и кванта магнитного потока, т.е. энергия электромагнитного кванта состоит из энергии кванта электрического потока и энергии кванта магнитного потока.
«... плотность энергии электромагнитного поля складывается из плотностей энергии электрического и магнитного полей.»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.258.
«... в бегущей плоской электромагнитной волне электрическая энергия в любой момент равна магнитной.»
Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.18.
Наименьшее поперечное возмущение (дискретная волна) состоит из двух разноименных областей возмущения в один квант заряда, между которыми существует элементарный электрический поток величиной в один квант потока, т.е. ток электрического смещения поля:
Iсм = 2ev,
где e - квант электрического потока (квант количества электричества), v - частота. Зная силу тока, можно найти магнитную энергию электромагнитного кванта:
Wм = IсмФ0/2,
где Ф0 - квант магнитного потока (квант количества магнетизма). Согласно электродинамике, в поперечной электромагнитной волне электрическая энергия всегда равна магнитной Wэ = Wм, поэтому полная энергия электромагнитного кванта равна:
W = Wэ + Wм = 2Wм = IсмФ0.
Коэффициент пропорциональности h = 2eФ0 упрощает выражение:
W = IсмФ0 = 2eФ0v = hv.
Зная частоту изменения магнитного потока, можно найти ЭДС:
U = 2Ф0v.
Эффективная мощность электромагнитного возмущения:
P = UIсм = 2Ф0v·2ev = 4eФ0v2.
Протяженность поперечного возмущения равна половине длины волны, так как в поперечном возмущении разноименные области расположены поперечно, а не продольно, что является отличием поперечного возмущения от продольного. Т.е., чтобы найти энергию, надо умножить мощность на время, равное половине периода:
W = PT/2 = 4eФ0v2/2v = 2eФ0v = hv.
Соотношение между замкнутым током смещения и массой:
Mc2 = W = IсмФ0, M = e0m0IсмФ0,
где e0 - электрическая постоянная, m0 - магнитная постоянная. Получается, 1 А – 2.301·10-32 кг. Соотношение между ЭДС и энергией:
W = 2eФ0v = eU.
Получается, 1 В – 1.602·10-19 Дж, т.е. равен одному электронвольту. Таким образом, электромагнитный квант с ЭДС в один вольт обладает энергией, равной одному электронвольту.
« 1 эВ = 1.60219·10-19 Дж »
Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ.
Таким образом, в электромагнитных волнах дискретны токи смещения и энергия электрических и магнитных потоков. Для их вычисления достаточно знать частоту электромагнитной волны, величину кванта электрического потока и кванта магнитного потока, либо вместо них, чисто для упрощения выражения, можно использовать коэффициент пропорциональности h = 2eФ0 = 6.626·10-34 Кл·Вб, представляющий квант электромагнитного потока.
«E = hv. Коэффициент пропорциональности h в этом выражении носит название постоянная Планка.»
Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.299.
Но для элементарных частиц, где единицей измерения является электронвольт, коэффициент пропорциональности только усложняет выражение W = hv/e, т.е. более рациональной является естественная формула W = 2Ф0v, без коэффициента пропорциональности. Эта формула как бы подчеркивает, что в фотоне магнитный поток равен кванту магнитного потока, где магнитная энергия равна W = Ф0v.
«Существование кванта магнитного потока отражает квантовую природу явлений магнетизма.»
Физический энциклопедический словарь. КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА.
«... на рис. 227 показана моментальная "фотография" плоской электромагнитной волны ...»
Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.299.
К сожалению, в учебной литературе - в виде моментальной "фотографии" - можно встретить только идеалистическое представление электромагнитной волны, что на самом деле не имеет ничего общего с ее реальным полевым строением. На таких рисунках все индукционные линии начинаются на оси X, что противоречит электродинамике, а линии электрических токов смещения вообще отсутствуют, т.е. как бы забывают, что введение тока смещения позволило Максвеллу представить полевую структуру электромагнитных возмущений, вывести уравнения и тем самым предсказать существование электромагнитных волн. Надо заметить, иногда ошибочно считается, что в линейных электромагнитных волнах электрические потоки замкнуты, на самом деле замкнуты линии тока смещения, а электрическое поле является вихревым, но не соленоидальным, так как линии электрической индукции направлены между разноименными областями возмущения, т.е. электрический поток существует между разноименными областями распространяющегося возмущения - нет кругового (замкнутого) потока электрической индукции. Движущийся электрический поток - это изменяющееся (нестационарное) электрическое поле, что представляет ток смещения Iсм = dФe/dt. Для наглядности можно рассмотреть движение двух поперечно ориентированных разноименных зарядов. Такое распространяющееся поперечное электрическое возмущение поля создает движущийся поперечный электрический поток, который представляет вихревое (нестационарное) электрическое поле, т.е. ток смещения и, соответственно, магнитный поток. Здесь, как и в поперечном электромагнитном возмущении, существует электрический поток между двумя разноименными зарядами. При этом ток смещения возникает без кругового потока электрической индукции. Также векторы электрической и магнитной индукции взаимно перпендикулярны, а их фазы совпадают. Такое движущееся электромагнитное возмущение, хотя и образует вторичные волны, но не создает излучения, так как все возникающие электромагнитные волны, интерферируя в окружающем пространстве, гасят друг друга, не излучаясь.
«... каждая точка среды, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн.»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.283.
Точнее, каждая точка полевой среды, до которой доходит электромагнитное возмущение, является центром вторичных волн, но при этом излучение может не возникать, если все вторичные волны, интерферируя между собой, полностью гасят друг друга.
То, что электрический поток в линейных электромагнитных волнах не является соленоидальным (замкнутым), - это экспериментальный факт: в продольном направлении электрическая индукция поля отсутствует, т.е. нет кругового электрического потока, электрическая индукция поля всегда поперечна, представляя поперечное электрическое возмущение поля (поперечное электрическое смещение поля).
«... на участках bc и ad направления напряженности поля и перемещения при обходе контура взаимно перпендикулярны ...»
Основы физики. Л.А.Грибов, Н.И.Прокофьев. 1995. С.319.
Т.е. линейная электромагнитная волна на продольных участках контура bc и ad не создает электрической напряженности поля - электрическая индукция всегда поперечна. Если бы линии электрической индукции были замкнуты по кругу, то обязательно имелась бы продольная составляющая напряженности поля.
«Меняющееся магнитное поле рождает электрическое поле, силовые линии которого охватывают силовые линии магнитного поля и т.д. ... Кроме того, в электромагнитной волне векторы E и B всегда колеблются в одинаковых фазах, одновременно достигают максимума, одновременно обращаются в нуль.»
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.259.
Если в электромагнитной волне линии электрической индукции охватывают линии магнитной индукции, т.е.