Реферат: Волны де Бройля
Т.е. электромагнитное поле можно представить в виде поля квантовых гармонических осцилляторов, где состояние поля с наименьшей энергией называется физическим вакуумом. Если среда квантовая, то возмущения среды и парциальные волны также обладают квантовыми свойствами.
Для любых волн необходима материальная среда в виде вещества или поля, так как волны представляют возмущение среды. Существование материального физического вакуума подтверждено экспериментально, например, эффект Казимира, где наблюдаются нулевые колебания электромагнитного поля. Эффект Казимира проверен с точностью до 1% и является экспериментальным доказательством того, что даже в основном вакуумном состоянии происходят нулевые колебания (флуктуации) поля. Вакуум - это состояние поля с наименьшей энергией, частицы - возбужденные состояния поля, поэтому даже в вакууме движение частиц будет сопровождаться возмущениями поля - присоединенными волнами. Движущееся возмущение среды является источником волн, но при равномерном движении, не превышающем скорость распространения волн, излучение не возникает, так как все вторичные (парциальные) волны, образуя в окружающем пространстве интерференцию, гасят друг друга, представляя движущийся волновой пакет. При этом волны наблюдаются только вблизи движущегося возмущения, там где парциальные волны еще не смогли погасить друг друга. Если среда идеальная, например, полевая, такой движущийся волновой пакет не теряет энергию, так как из-за интерференции нет излучения. Это можно наблюдать экспериментально: например, электрический заряд при равномерном движении в диэлектрике (вакууме) представляет движущееся электромагнитное возмущение, но, если скорость заряда не превышает скорости распространения электромагнитных волн в данной среде, то нет излучения Черенкова, так как все возникающие парциальные волны, образуя в окружающем пространстве интерференцию, гасят друг друга.
«... заряженная частица, равномерно движущаяся в среде, излучает, если ее скорость больше фазовой скорости света в этой среде.»
Волновые процессы. И.Е.Иродов. 1999. С.242.
Если движется электрический или магнитный диполь, то он также представляет движущееся электромагнитное возмущение и также сопровождается присоединенной электромагнитной волной. Таким образом, если полевая структура частицы является дипольной, то она также сопровождается волной де Бройля, даже если частица в целом нейтральна. Не только внешние электрические и магнитные поля, но и внутренняя полевая структура частиц участвует в образовании волн де Бройля.
«... нуклоны обладают сложной внутренней структурой, т.е. внутри них существуют электрические токи, ... Электромагнитные свойства нейтрона определяются наличием у него магнитного момента, а также существующим внутри нейтрона распределением положительных и отрицательных зарядов и токов. ... Внутренняя электромагнитная структура нейтрона проявляется при рассеянии электронов высокой энергии на нейтроне ...»
Физический энциклопедический словарь. НЕЙТРОН.
«Исследования рассеяния электронов и гамма-квантов на протоне позволили найти пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента протона - его формфактор, а также обнаружить электрическую и магнитную поляризуемости протона, т.е. получить экспериментальное доказательство существования внутренней структуры протона.»
Физическая энциклопедия. ПРОТОН.
«... элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля, ...»
А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689.
Частица (возбужденное состояние поля) и присоединенная волна де Бройля движутся как единое целое. Волна де Бройля представляет электромагнитный волновой пакет квантового электромагнитного поля, где электрические и магнитные потоки обладают квантовыми свойствами. Длина присоединенной волны де Бройля зависит от скорости и массы (импульса) частицы l = 2eФ0 /p, где e - квант электрического потока (заряда) 1.602·10-19 Кл, Ф0 - квант магнитного потока 2.068·10-15 Вб, p - импульс. Чисто для упрощения формулы можно использовать коэффициент пропорциональности h = 2eФ0 = 6.626·10-34 Кл·Вб, представляющий квант электромагнитного потока. Постоянная Планка - это произведение электромагнитных постоянных h = 2eФ0 и имеет физическую размерность Кл·Вб.
«Электромагнитные постоянные. Элементарный заряд e ... Квант магнитного потока Ф0 ...»
Физические величины (справочник). 1991. С.1234.
«Собственно говоря, постоянной Планка называется коэффициент пропорциональности ...»
Квантовая физика. И.Е.Иродов. 2001. С.11.
Электромагнитная волна де Бройля, как и фотон, представляет электромагнитный квант, состоящий из кванта электрического потока (заряда) и кванта магнитного потока. Длина волны де Бройля и энергия рассчитываются так же, как у всех электромагнитных квантов - через электромагнитные постоянные.
«Волны - изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию.»
Физический энциклопедический словарь. ВОЛНЫ.
Так как волны - это возмущения (напряженность), волна де Бройля представляет присоединенную энергию. Электромагнитная энергия волны де Бройля для нерелятивистских частиц W = eФ0 v = eФ0 v/l = mv2 /2, где v - частота v = v/l, l - длина волны l = 2eФ0 /mv, m - масса частицы, v - скорость. При приближении к скорости света энергия волн де Бройля приближается к энергии фотонов W = 2eФ0 v = mv2 , так как становится существенной энергия вихревых электрических полей. Таким образом, электромагнитная энергия волны де Бройля - это кинетическая энергия движущейся частицы, т.е. кинетическая энергия частицы распределена в пространстве в виде волны де Бройля. Например, электромагнитный квант - фотон представляет кинетическую энергию в чистом виде.
«Полная энергия света - это чисто кинетическая энергия, ...»
Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1996. Т.1. С.121.
Т.е. в электромагнитной волне плотность кинетической энергии можно рассчитать как плотность электромагнитной энергии. Таким образом, не только потенциальная, но и кинетическая энергия имеет полевую природу. Кинетическая энергия, в отличие от потенциальной, представляет волну - колебания поля. Например, когда потенциальная энергия поля переходит в кинетическую энергию движения частицы, то возникают колебания поля, представляющие присоединенную волну, которая движется с частицей как единое целое.
«В частности, электрическое поле, создаваемое системой неподвижных зарядов, является чисто потенциальным. Электрическое поле излучения, в том числе поле в поперечных электромагнитных волнах, является чисто вихревым.»
Физическая энциклопедия. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
Полевые потоки напряженности неподвижных зарядов представляют потенциальную энергию. Когда же заряды движутся, то возникают вихревые поля (потоки), представляющие кинетическую энергию. Например, когда электрические заряды под действием потенциального электрического поля начинают двигаться, то энергия потенциального поля переходит в вихревые поля (волновые поля), возникающие вокруг движущихся зарядов, которые представляют кинетическую энергию движущихся зарядов.
Волны де Бройля являются материальной сущностью кинетической энергии частиц. Фотоны (электромагнитные кванты) представляют волну де Бройля в чистом виде.
«Присоединенная масса - физическая масса (или момент инерции), которая присоединяется к массе (или моменту инерции) движущегося в жидкости тела для количественной характеристики инерции окружающей его жидкой среды. ... Физический смысл присоединенной массы заключается в том, что если присоединить к телу, движущемуся в жидкости, дополнительную массу, равную массе жидкости, увлекаемой телом, то закон его движения в жидкости будет таким же, как в пустоте. ... Для кругового цилиндра присоединенная масса равна массе жидкости в объеме цилиндра. ... Для шара присоединенная масса равна половине массы жидкости в объеме шара ...»
Физическая энциклопедия. ПРИСОЕДИНЕННАЯ МАССА.