Warum breiten sich EM-Wellen zeitlich vorwärts und nicht rückwärts aus?

Anders ausgedrückt, warum „wellt“ EM-Strahlung nicht nach innen und sammelt sich irgendwann? Diese sind durch Zeitumkehr durchaus möglich.

Nun, in den meisten beobachteten oder gemessenen Fällen kräuselt sich EM-Strahlung auch nicht von einem Punkt nach außen ; normalerweise ist die Strahlung mit einem Körper mit räumlichen Abmessungen ungleich Null verbunden. Tatsächlich kann die Strahlung von Punktladungen fortgeschrittene Feldkomponenten enthalten, aber makroskopisch wie die verzögerte Lösung aussehen - siehe die Feynman-Wheeler-Theorie.

Ich nehme an, Sie interessieren sich für die folgende Frage:

Da es bekannte Prozesse gibt, bei denen EM-Wellen erzeugt werden und sich von physischen Körpern nach außen in einen entfernten Raum ausbreiten (wie z Körper und brechen auf ihnen zusammen?

Wir wissen, dass die Maxwell-Gleichungen in einigen einfachen Szenarien (z. B. kontinuierliche Bewegung einer Punktladung) solche Lösungen haben (als fortgeschrittene Felder im Gegensatz zu verzögerten Feldern bezeichnet). Warum beobachten wir also nicht zumindest irgendwo solche kollabierenden Kugelwellen ?

Kurze Antwort : Der Grund kann entweder gesucht werden in:

• der Zustand des EM-Feldes in der Vergangenheit (eine spezielle Anfangsbedingung, die nicht zu makroskopisch fortgeschrittenen Wellen führt); Vergangenheit ist kein Teil physikalischer Gesetze, sie muss als separate Annahme angenommen werden;

oder

• es kann in einem separaten physikalischen Gesetz gesucht werden, das die Felder geladener Teilchen auf die verzögerten Lösungen von Feldgleichungen mit ihren individuellen Quelltermen beschränkt.

Langer Antwortversuch:

Wenn wir zu irgendeinem Zeitpunkt überall den Zustand des Feldes und die nachfolgende Bewegung der Ladungen kennen würden, könnten wir das Feld für die Zukunft vorhersagen. Wenn wir die Bewegung der Ladungen festlegen, wäre das Feld durch die Anfangsbedingung bestimmt.

Die Anfangsbedingung könnte im Prinzip so sein, dass sich ein Feld in der Nähe geladener Körper wie eine ankommende Welle entwickeln würde, die von weit her kommt und auf diesen Körpern zusammenbricht.

Eine andere Anfangsbedingung könnte so sein, dass das Gegenteil passieren würde; das Feld würde sich wie eine ausgehende Welle entwickeln und sich von den Körpern ins Unendliche entfernen.

Es gibt unendlich viele andere Anfangsbedingungen, die sich von den obigen unterscheiden; Im Allgemeinen ist der Unterschied zwischen ihnen ein "freies Feld" - eine Lösung der Maxwell-Gleichungen ohne Quellen.

Die Angemessenheit der Anfangsbedingungen in der makroskopischen Theorie ist auf der Grundlage von Erfahrung zu beurteilen; es gibt kein physikalisches Gesetz, das das eine oder andere erfordern würde.

Das Fehlen eingehender EM-Wellen bedeutet unserer Erfahrung nach, dass bestimmte Klassen von Anfangsbedingungen für Felder in der makroskopischen EM-Theorie vermieden oder sogar verworfen werden müssen.

Aber das lässt sich nicht leicht in mikroskopische Theorie übersetzen. Nehmen wir an, dass das gesamte EM-Feld aus elementaren EM-Feldern mit einer sehr großen Anzahl geladener Teilchen besteht.

Es ist möglich, makroskopisch retardierte Felder zu haben, die aus mikroskopischen Feldern bestehen, die nicht rein retardiert sind, sondern fortgeschrittenes Feld enthalten. Und es ist möglich, ein makroskopisches fortgeschrittenes Feld mit einer speziellen Anordnung von rein retardierten mikroskopischen Feldern zu simulieren.

Eine interessante, aber nicht die einzig mögliche Version der EM-Theorie ist, dass die mikroskopischen Felder eine vollständig symmetrische Kombination aus verzögerten und fortgeschrittenen Wellen sind (Tetrode-, Frenkel- oder Feynman-Wheeler-Modelle und ihre Variationen), aber wenn diese verwendet werden, um unsere Erfahrung mit makroskopischen zu erklären Körper, die Dinge sind nicht mehr so ​​einfach: Wenn die Elementarfelder eine symmetrische Kombination aus verzögerten und fortgeschrittenen Wellen sind, wie kommt es dann, dass wir eine solche symmetrische EM-Welle um eine Antenne herum nicht sehen? (Die Leute schlugen tatsächlich ein Experiment vor und bestätigten, dass das EM-Feld nicht so symmetrisch ist. Die Erfahrung legt nahe, dass das EM-Feld in der Nähe der Antenne durch die verzögerte Lösung gut gegeben ist.)

Im Feynman-Wheeler-Modell kamen sie auf eine interessante Idee: Sie führten eine Randbedingung in die Theorie ein (sogenannte Absorberbedingung), die es ihnen formal ermöglichte, zu einer realistischen Beschreibung des EM-Felds zu gelangen, wo das beobachtbare Feld erscheintfast verzögert zu sein und wo die Korrektur angeblich die Strahlungsreaktion erklärt. Ich finde die Absorberbedingung sehr formal und unnatürlich und ihre Erklärung der Strahlungsreaktion (die auf dieser Bedingung beruht) als schlecht motiviert und unnötig für Punktteilchen. Dennoch hat die Idee eines symmetrischen halb verzögerten, halb fortgeschrittenen Feldes einige interessante Implikationen, zum Beispiel sind Systeme mit entgegengesetzten Ladungen viel stabiler, weil jetzt die Wellen sowohl ein- als auch ausgehen und es keine intensive Strahlung von EM-Energie gibt umgebenden Raum von solchen Systemen, wie es aufgrund der Larmor-Formel zu erwarten wäre (die hier nicht gültig ist). Es ist möglich, dass die symmetrischen mikroskopischen Felder mit den richtigen probabilistischen Annahmen mit unserer makroskopischen Erfahrung mit retardierten Feldern übereinstimmen,

Die einfachste und natürlichste Haltung ist derzeit, dass die elementaren Felder verzögert und die fortgeschrittenen Lösungen unphysikalisch sind - die zweite Variante aus der kurzen Antwort. Diese einfache Wahl ist ziemlich intuitiv – Elementarwellen breiten sich immer nur von den Teilchen nach außen aus. Es erklärt, warum makroskopische Wellen ohne weitere Annahmen wie die Feynman-Wheeler-Absorberbedingung verzögert werden. Zwar könnte eine annähernd kugelförmige Welle kollabieren, wenn viele Teilchen auf besondere Weise tanzen würden, aber eine solche korrelierte Bewegung über große Entfernungen ist ziemlich unwahrscheinlich, daher stellt dies keine Herausforderung für das Modell dar.

Der Grund dafür ist, dass die Zeitumkehrsymmetrie bereits in der Art und Weise, wie wir Zeit wahrnehmen, gebrochen ist.

Wir sehen die Zeit als etwas, das von der Vergangenheit in die Zukunft fließt, und wir versuchen, die Zukunft aus der Vergangenheit abzuleiten. Daher betrachten wir die elektromagnetische Wellenausbreitung (oder die Zeitentwicklung jedes dynamischen Systems) als ein Anfangswertproblem, im Gegensatz zu einem Endwertproblem. Nur entstehen bei der Lösung von Anfangswertproblemen verzögerte Lösungen (auslaufende Wellen).

Um zu sehen, wie das so ist, nehmen wir an, es gibt eine Stromquelle mit endlicher Zeitdauer und eine EM-Welle$\textbf{E}(\textbf{r},t)$konsistent mit dieser Quelldistribution. Natürlich zerlegen wir die Welle in

Wenn wir aus irgendeinem Grund ein Endwertproblem untersuchen, können wir eine Feldzerlegung wie oben in Betracht ziehen, außer dass jetzt$\textbf{E}_{\rm{source}}(\textbf{r},t)$ist nur ungleich Null, bevor die Quelle abgeschaltet wird. In diesem Fall,$\textbf{E}_{\rm{source}}(\textbf{r},t)$ist eine fortschrittliche Lösung und entspricht einer Endbedingung, so dass kein Feld existiert, nachdem die Quelle abgeschaltet wurde . Es ist auch das, was wir erhalten, wenn wir die Zeit von der verzögerten Lösung umkehren, dh eine Welle, die aus der räumlichen Unendlichkeit kommt.

Zusammenfassend sehen wir nur elektromagnetische Wellen, die sich zeitlich vorwärts ausbreiten (dh verzögerte Lösungen), weil wir (bewusst oder unbewusst) Anfangswertprobleme betrachten. Zeitumkehrsymmetrie manifestiert sich darin, dass bei Umkehrung der Zeitrichtung eine Lösung eines Anfangswertproblems der Maxwellschen Gleichungen in eine Lösung eines Endwertproblems umgewandelt wird. Natürlich erscheint die Symmetrie gebrochen, wenn wir nur Anfangswertprobleme betrachten; das heißt, wir sehen nur verzögerte Lösungen.

Dieses Problem hat mich nicht wirklich interessiert, aber ich denke, Sie haben Recht, dass die Entropie es erklären kann, wenn sie als eine Reihe von Mikrozuständen ausgedrückt wird.

Ich zitiere aus dem entsprechenden Schluss der Antwort von Ján Lalinský:

Kollabierende Kugelwellen kann es noch geben, aber nur als Sonderfall mit besonders korrelierten Teilchenbewegungen in der Vergangenheit, weit vom Zentrum entfernt.

Nehmen Sie der Einfachheit halber eine einzige Quelle. Das elektromagnetische Feld entsteht durch einen Zusammenfluss einer großen Anzahl von Photonen. Konzeptionell bilden die Wellenfunktionen der einzelnen Photonen in Überlagerung die E- und B-Felder der Maxwellschen Gleichungen. Die Photonen sind als Elementarteilchen zählbar. Während sie sich im Universum ausbreiten, nimmt die Zahl der Mikrozustände zu oder bleibt gleich, es sei denn, es breitet sich im völlig leeren Raum aus, was klassisch möglich ist, aber quantenmechanisch treffen die Photonen auf Vakuumfluktuationen, dies wird eine zunehmende Zahl von Mikrozuständen mit sich bringen.

Damit sich eine fortgeschrittene Welle reproduzieren und auf denselben Punkt fokussieren kann, um tatsächlich eine inverse Quelle zu erzeugen, müssen die Photonen mit der gleichen Ordnung von Vakuumfluktuationen interagieren, da die Photonen die gleiche Entfernung zurücklegen, um am gleichen (x ,y,z). Es wird eine akkumulierte Entropie in der Größenordnung der Entropie haben, die von der ausgehenden verzögerten Welle erworben wurde. Aber die gerötete Wellenquelle bei an (x,y,z) ist a bei einer niedrigeren Entropie zu Beginn der Strahlung, die zurückgekehrt hat alle Mikrozustände auf dem Weg in ihre Entropie gesammelt, also hat es nicht wirklich eine Zeitumkehr gegeben die ursprüngliche Lösung.

Ich denke, das ist eine ad absurdum geführte Argumentation, die man vielleicht salonfähig kämmen könnte.

Es ist nicht intuitiv, aber ich denke, die Frage

Anders ausgedrückt, warum „wellt“ EM-Strahlung nicht nach innen und sammelt sich irgendwann?

lässt sich so beantworten:

Es tut.

Oder besser gesagt, man könnte sich dafür entscheiden, dasselbe System als „Wellenbildung nach außen“ oder als „Wellenbildung nach innen“ zu sehen, ohne die zugrunde liegende Physik zu ändern. Mit anderen Worten, die Frage

Warum können wir in der Quantenmechanik die fortgeschrittene Greene-Funktion anstelle der verzögerten verwenden, aber nicht hier? (Sind wir?)

Kann beantwortet werden:

Wir sind.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein idealisiertes Modell einer punktförmigen Strahlungsquelle vor, die in einer endlichen Entfernung von absorbierenden Wänden umgeben ist. Die offensichtliche Beschreibung bezieht sich auf verzögerte Wellen, die von der Punktquelle nach außen strahlen, aber wenn man so geneigt wäre, könnte man stattdessen dieselbe Lösung als Summe unendlich vieler fortgeschrittener Wellen sehen, die auf jeden Punkt auf der absorbierenden Grenze konvergieren. Zugegebenermaßen habe ich keine Berechnung zur Überprüfung durchgeführt, aber ich denke, es sollte möglich sein, dies so zu tun, dass die Summe all dieser fortgeschrittenen Wellen genau dieselbe Lösung ergibt wie die einzelne verzögerte Welle.

Natürlich ist es in diesem und vielen anderen Beispielen viel bequemer, an verzögerte Wellen zu denken als an fortgeschrittene, und es stellt sich auch die wichtige Frage, warum dies der Fall sein sollte. Das hat meiner Meinung nach mit Kausalität zu tun. Wenn wir im obigen Beispiel die Punktquelle verschieben, ändern wir das gesamte Strahlungsfeld, aber wenn wir die Grenze verschieben, ändern wir das nicht. Wir können die Strahlungsquellen direkt manipulieren, aber wir können Strahlungssenken nur indirekt manipulieren, indem wir die Quellen manipulieren.

Dies erscheint im Zusammenhang mit elektromagnetischer Strahlung etwas seltsam und mysteriös, unterscheidet sich jedoch nicht wirklich von jedem anderen physikalischen Prozess – ganz allgemein können wir nur Anfangsbedingungen und keine Endbedingungen manipulieren. (Nebenbei ist es möglich, den zweiten Hauptsatz mehr oder weniger allein aus dieser Tatsache abzuleiten.{1})

Ich bin zu diesen Schlussfolgerungen gekommen, als ich {2} gelesen habe, das dieses Thema ausführlich behandelt. Ich habe es jedoch vor langer Zeit gelesen und kann mich nicht erinnern, ob meine Schlussfolgerung die gleiche ist, zu der der Autor kommt.

{1} Jaynes, ET, 1965, „ Gibbs vs. Boltzmann Entropies “, Am. J. Phys., 33, 391;

{2} Huw Price Time's Arrow and Archimedes' Point , Oxford University Press, 1996

Bei grundsätzlichen Fragen darf man sich nicht nur auf die Betrachtung der Koordinatenzeit beschränken, sondern muss auch die Eigenzeit berücksichtigen, die das grundlegende Konzept ist, das dem Konzept der Koordinatenzeit der Raumzeit zugrunde liegt.

Die Eigenzeit von lichtähnlichen Phänomenen wie EM-Wellen ist Null. Das bedeutet, dass Lichterscheinungen zeitsymmetrisch sind , es gibt keine intrinsische Zeitrichtung . Folglich stammt jede Definition einer Zeitrichtung vom Beobachter, der die EM-Welle beobachtet, die sich mit der Geschwindigkeit c zeitlich vorwärts bewegt.

Das bedeutet einfach, dass lichtähnliche EM-Wellen mit ihrem Beobachter in der Zeitrichtung des Beobachters interagieren. Basierend auf dieser Schlussfolgerung könnten wir spekulieren, dass – wenn es Objekte gibt, die sich in die entgegengesetzte Zeitrichtung bewegen – diese Objekte EM-Wellen beobachten würden, die sich in die entgegengesetzte Zeitrichtung bewegen.

Ich bin mir nicht sicher, ob jemand die Frage beantwortet hat. Der Grund ist ihr Zeitbegriff. Es gibt weder Vergangenheit noch Zukunft. Es gibt nur die Gegenwart. Einstein entwickelte einige interessante Theorien – er tat dies in „seiner“ Gegenwart. Er versuchte allen zu sagen, dass die Zeit von Ihrem Bezugsrahmen abhängt. Neil Armstrong betrat in „seiner“ Gegenwart den Mond. Ein Photon hat Impuls, aber keine Masse. Angenommen, Sie sind ein Photon, das 13 Milliarden Meilen entfernt ist. Es würde 13 Milliarden Jahre dauern, um hierher zu gelangen. Wenn Sie jedoch dieses Photon wären, wäre die Reise sofort (Bezugsrahmen). Eines Tages kann der Mensch auf den Ebenen des Mars wandeln. Sie können dies nur in ihrer Gegenwart tun. Es hat noch nie einen Fall gegeben, in dem [etwas] in der Zeit zurückgegangen ist.