Warum brauchen elektromagnetische Wellen kein Vakuum, um sich fortzubewegen? [Duplikat]

Um die Titelfrage zu beantworten: Es ist einfach eine experimentelle Tatsache , dass EM-Wellen kein materielles Medium (bestehend aus aneinanderstoßenden Atomen) benötigen, um sich auszubreiten. Sie unterscheiden sich einfach von Wellen, die elastische Störungen in Ansammlungen von Atomen sind. Unzählige Experimente demonstrieren die Übertragung von Energie, Impuls und Drehimpuls durch Vakuum durch elektromagnetische Wellen.

Wenn dies ein wenig seltsam erscheint, liegt es möglicherweise daran, dass Sie die Begriffe leerer Raum und „Nichts“ auf einer bestimmten Ebene verwechseln, und Sie können eine gewisse Befriedigung aus dem Wissen ziehen, dass die moderne Physik das Vakuum als etwas Materielles betrachtet. Der Raum besteht aus Quantenfeldern, und „leerer Raum“ ist einfach eine Abkürzung für eine Region, in der sich diese konstituierenden Quantenfelder alle in ihrem Grundzustand befinden. In diesem Sinne ist auch das Vakuum durchaus ein Medium, allerdings ein Lorentz-invariantes, weil sich hier die Wellengleichung Lorentz-invariant umwandelt. Dies steht im Gegensatz zu elastischen Wellen in einem materiellen Medium, wo es einen "privilegierten" Rahmen gibt, dhdass sie in Bezug auf das Medium, in dem sie sich bewegen, in Ruhe sind, und die Wellengleichung nimmt für Beobachter in verschiedenen Bewegungszuständen relativ zum Medium eine andere Form an.

Um zu beantworten, was schwingt: So wie es etwas über den Zustand des materiellen Mediums (lokale Spannung, Dehnung und andere messbare Größen) ist, das bei der Ausbreitung einer elastischen Welle schwingt, so ist es auch der Zustand des Vakuums schwingt: messbare Einflüsse auf Prüfladungen weisen auf den Schwingungszustand der durchlaufenden Welle hin. Tatsächlich zeigt das Vorhandensein einer elektromagnetischen Welle, dass sich das EM-Quantenfeld im Einflussbereich der Welle nicht in seinem Grundzustand befindet, und daher ist der von der EM-Welle beeinflusste Raum streng genommen kein perfektes Vakuum, da es sich darin befindet ein angeregter Zustand durch die Delle der Anwesenheit der Welle.

Ich verstehe, dass elektromagnetische Wellen durch die Schwingung elektrischer und magnetischer Felder verursacht werden. Aber wie? Gibt es magnetische und elektrische Felder in der Luft oder im Vakuum? Wie entsteht aus dieser Schwingung eine Welle? Entschuldigung, ich bin neu auf dieser Seite, bitte geben Sie Ihre Antwort einfach so ein, dass ich sie verstehen kann.

Dies ist eine sehr alte Frage, und es wurde schwieriger herauszufinden, als erkannt wurde, dass es zum Beispiel zwischen der Erde und dem Mond ein Vakuum gab, sodass wir uns nicht mehr auf irgendwelche Krücke/Ausreden stützen konnten, wie die Atmosphäre, um irgendwie die Ausbreitung des reflektierten Lichts der Sonne vom Mond zur Erde zu erklären. Oder direkt von der Sonne zur Erde.

Sie können dies auf zwei Arten betrachten. Man könnte sagen, dass das vom Mond reflektierte Licht aus Photonen besteht, Lichtteilchen, die, um es grob auszudrücken, kein Medium brauchen, um sich zu bewegen, genauso wenig wie die Erde ein Medium braucht, um sich um die Sonne zu bewegen. Die Sonne feuert Photonen wie Kugeln ab, sie prallen vom Mond ab und treten in unser Auge ein.

Eine andere, subtilere und interessantere Art, den Prozess zu betrachten, besteht darin, die in der anderen Antwort skizzierten Maxwell-Gleichungen zu nehmen, die Licht als eine Welle behandeln, die aus einem elektrischen Feld und einem magnetischen Feld besteht, die sich in Raum und Zeit ändern. aber so, dass sie sich gegenseitig erzeugen / erhalten, wenn sich die Lichtwelle durch das Vakuum ausbreitet.

Sogar Maxwell war davon überzeugt, dass ein Medium benötigt wurde, um diese Lichtwelle zu übertragen, und sagte in der Encyclopaedia Britannica um 1860, dass wir tatsächlich sicher sein könnten, dass ein solches Medium (der Äther) verfügbar sei, um die Welle zu übertragen.

Heutzutage wird der Äther als eine nicht existierende Lösung angesehen, ein (mehr als) etwas verzweifelter Versuch, etwas zu erklären, was bereits in Maxwells eigenen Gleichungen erklärt wurde.

Sie fragen nach einer einfachen Antwort, also werde ich die Gleichungen nicht einschließen, nur eine Standardzeichnung einer elektromagnetischen Welle.

Bildquelle: Hyperphysik

Was Sie berücksichtigen müssen, ist, dass dies eine Zeichnung ist, die nicht die Realität veranschaulicht, wie Sie sie in einer Wasserwelle sehen würden, wenn Sie einen Stein in einen See werfen, sondern eine Zeichnung, die entworfen wurde, um abstrakte Mathematik zu veranschaulichen. Es ist irreführend, wenn Sie es sich als herkömmliche Welle vorstellen, aber es ist möglicherweise als Analogie verständlicher, als dass Sie aufgefordert werden, den Gleichungen zu folgen.

Drei verwandte Beispiele zum Nachdenken. Die Ladung eines Elektrons kann gefühlt werden, ohne dass etwas benötigt wird, um die Ladung zu "tragen", ähnlich wie sich zwei Magnete in einem Vakuum gegenseitig anziehen, auch hält die Kraft des Gravitationsfeldes der Erde den Mond in der Umlaufbahn, sogar dort ist nichts, um diese Kraft zu tragen.

Ich nehme an, dass Sie diese als selbstverständlich ansehen, aber auf ihre Weise sind sie Variationen der Frage, die Sie hier stellen.

Der Sinn der obigen Zeichnung besteht darin, zu veranschaulichen, dass die elektrischen und magnetischen Felder, aus denen die Welle besteht, sich durch den Raum ausbreiten, die Welle in Form halten, da ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld induziert und umgekehrt. (Was in Maxwells Gleichungen betont wird). Wenn Sie sich die Zeichnung ansehen, sehen Sie vielleicht, wie dies für eine Lichtwelle funktioniert.

Wenn Sie ein elektrisches Feld haben${\vec{E}}$B. aufgrund einer Ladungsdichte${\rho}$und der geladene Körper ist dann aus der Maxwell-Gleichung in Bewegung

$$\vec\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+{\mu_0}{\partial\vec{D}\over{\partial t}}$$ dh die Bewegung der Ladungen erzeugt sofort ein Magnetfeld $\vec{B}$die, das magnetische Feld, wiederum ein elektrisches Feld erzeugt, das durch gegeben ist $$\vec\nabla\times\vec{E}=-{\partial\vec{B}\over{\partial t}}$$ Sie brauchen also nichts als die Maxwell-Gleichungen, damit sich Ihr EM ausbreitet; Wenn Sie sagen, dass EM-Wellen ein Vakuum benötigen, um sich auszubreiten, implizieren Sie tatsächlich, dass EM-Wellen kein Medium benötigen, um sich auszubreiten, da Vakuum in der klassischen Physik das Fehlen eines Mediums bedeutet.

Es gibt den Rahmen der klassischen Physik, in dem die Maxwell-Gleichungen die Ausbreitung elektrischer und magnetischer Störungen beschreiben, wie in der Antwort von Sayontön Vöttacharjo beschrieben.

Die heutige Physik ist zu dem Schluss gekommen, dass die zugrunde liegende Ebene der Natur quantenmechanisch ist. Aus diesem Rahmen ergeben sich Verhaltensweisen der klassischen Physik in großem Maßstab, ähnlich wie thermodynamische Gleichungen aus den zugrunde liegenden statistischen Mechaniken entstehen.

Die elektromagnetischen Wellen werden durch eine enorme Anzahl von Photonen in Überlagerung aufgebaut. Photonen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben, die einer quantisierten Maxwell-Gleichung gehorcht. In den komplexen Ausdrücken oszillieren die elektrischen und magnetischen Felder. Dies ist nicht beobachtbar, wenn ein einzelnes Photon detektiert wird, da ein Photon nur Energie, Masse Null und einen Spin entweder in +1 oder -1 in seiner Bewegungsrichtung hat. Das „Winkeln“ liegt in der Wahrscheinlichkeit, das Photon zu entdecken, das das komplex konjugierte Quadrat seiner Wellenfunktion ist. Die Überlagerung einer Vielzahl von Wellenfunktionen erzeugt die klassische Welle, bei der die elektrischen und magnetischen Felder die Energie der Welle tragen. (Bitte beachten Sie, dass Superposition die Addition von Wellenfunktionen ist, keine Wechselwirkung)

In diesem Diagramm, wie ein polarisierter Strahl durch die Spinrichtung des Photons aufgebaut wird, können Sie eine Intuition für die Materie entwickeln.

Links- und rechtshändige Zirkularpolarisation und ihre zugehörigen Drehimpulse.

Der rote Pfeil ist die Richtung des Maximums des elektrischen Feldes (das Magnetische kann als senkrecht dazu und zur Bewegungsrichtung betrachtet werden und ist gegeben)

Die Quantenfeldtheorie, wie ein klassisches Feld aus dem zugrunde liegenden quantenmechanischen Feld entsteht (wie in der Antwort von WetSavannaAnimal alias Rod Vance beschrieben), ist in diesem Blogeintrag zu sehen .

In einem sehr realen Sinne reitet die klassische elektromagnetische Welle auf den Photonen.