Was verursacht die Permittivität und Permeabilität des Vakuums?

Wenn Licht durch ein Material wandert, wird es "verlangsamt" (zumindest nimmt seine Nettogeschwindigkeit ab). Die Atome im Material "stören" das Licht auf irgendeine Weise, was dazu führt, dass es auf seinem Weg stoppt. Dies drückt sich in der Permittivität und Permeabilität des Materials aus: Seine Fähigkeit, elektromagnetische Wellen zu übertragen.

Aber was verursacht dann die begrenzte Permittivität und Permeabilität des Vakuums? Es gibt dort keine Atome, die das Licht stören könnten, also was hält es davon ab, sich mit unendlicher Geschwindigkeit fortzubewegen? Gibt es eine besondere Eigenschaft des Raums selbst, die die Lichtgeschwindigkeit bestimmt? Oder sind es die virtuellen Teilchen im Vakuum, die mit dem Licht interagieren?

Ausgezeichnete Frage. Kurze Antwort: Niemand weiß es. Eine viel einfachere (aber eng verwandte) Frage lautet: Warum ist c gleich 3 x 10^8 m/s? Zu sagen, dass dies die Geschwindigkeit ist, die eine EM-Welle erreicht, die sich durch ein Material mit der gleichen Permittivität und Permeabilität eines Vakuums bewegt, führt Sie bestenfalls nirgendwo hin und ist im schlimmsten Fall kreisförmig. Es gibt viele Konstanten wie diese in der Physik, für die wir keine Erklärung haben (z. B. das Plancksche Wirkungsquantum, die Schwerkraft), vielleicht wissen wir eines Tages, warum sie so sind, wie sie sind ...
Keine einzige Antwort ... die die Frage vollständig erfüllt
Da die Lichtgeschwindigkeit nicht unendlich ist, muss auch die Vakuumpermittivität ungleich Null sein. In einem losen Sinn, mit ein wenig Handschwenken, ist die Permittivität des Vakuums ungleich Null das Ergebnis von Informationen über Änderungen in einem elektrischen Feld (z. B. aufgrund der Bewegung einer Ladung), die einige Zeit in Anspruch nehmen müssen, um über eine gewisse Entfernung zu reisen. Sie sehen, ein Vakuum „behindert“ oder „interagiert“ nicht unbedingt mit dem elektrischen Fluss, aber es wird zumindest eine Art von Nicht-Null-Permittivitätsmessung damit verbunden sein, da elektrische Flussinformationen nicht unendlich schnell eine Nicht-Null-Distanz durchqueren.

Antworten (6)

Was dazu führt, dass diese Konstanten die Werte haben, die sie haben, ist einfach unsere Wahl eines Einheitensystems.

Wenn Sie eine Konstante ohne Einheit haben, ist es sinnvoll zu fragen, warum sie diesen Wert hat. Beispielsweise haben zwei der Linien im sichtbaren Spektrum von Wasserstoff Wellenlängen im exakten ganzzahligen Verhältnis von 28/25. Als dies zum ersten Mal entdeckt wurde, war es sinnvoll zu fragen, warum es genau diesen Wert hatte, und die Antwort war unbekannt. Später wurde die Antwort entdeckt. Ähnliche Überlegungen gelten für andere einheitslose Konstanten der Physik wie das Verhältnis der Massen von Proton und Elektron oder die Feinstrukturkonstante. Es besteht zumindest im Prinzip eine gewisse Hoffnung, eine zukünftige Theorie der Physik zu finden, die ihre Werte erklären kann.

Es kann niemals eine solche Erklärung für den Wert einer Konstante geben, die Einheiten hat. Das liegt daran, dass die Einheiten selbst willkürlich sind. Hier ist eine schöne Diskussion darüber in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit: Duff, 2002, „Comment on time-variation of fundamental constants“, http://arxiv.org/abs/hep-th/0208093

OK, aber ich habe nicht nach dem Grund für die genauen Werte gefragt, sondern nur nach dem Grund, warum sie endlich sind. Wenn das Vakuum wirklich leer ist, würde nichts es daran hindern, eine unendliche Menge an Elektrizität oder Magnetismus durchzulassen. Die begrenzte Lichtgeschwindigkeit in einem Material wird durch Atome verursacht, die die Wellen zumindest vorübergehend „blockieren“. Was bewirkt also, dass die Wellen im leeren Raum „blockiert“ werden?
@KoenVanDamme: Ich denke nicht, dass die in Ihrem Kommentar gegebene Interpretation richtig ist. Materialien verlangsamen elektromagnetische Wellen nicht, indem sie sie teilweise blockieren. Wenn eine EM-Welle auf ein Material trifft, schwingen die Ladungen im Material und erzeugen eine Sekundärwelle. Die Überlagerung der beiden Wellen ist eine Welle, die sich mit weniger als bewegt c .
Diese Antwort verwirrt den Leser noch mehr, bitte erklären Sie es genauer.

Ich denke, dass die Tatsache, dass elektromagnetische Wellen (EMW) im Vakuum eine endliche Geschwindigkeit haben, durch zwei Dinge in der klassischen Theorie des Elektromagnetismus erklärt werden kann:

  • Es gibt keine Fernwirkung

  • EMW sind Anregungen eines EM-Feldes

Die Tatsache, dass das EM-Feld an sich keine materielle Substanz benötigt, wurde Ende des 19. Jahrhunderts viel diskutiert, aber das ist eine Tatsache, die sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts als wahr erwiesen hat.

Die Frage ist dann, wie breitet sich ein EM-Feld aus?

  • Zunächst induziert ein oszillierender Strom ein oszillierendes elektrisches Feld
  • elektrisches Feld, das wiederum ein rotierendes Magnetfeld induziert
  • die selbst ein weiteres elektrisches Feld induziert
  • und so weiter und so fort

wie in der Abbildung dargestellt

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Feld hat selbst im Vakuum einen intrinsischen Widerstand gegen "Krümmung", wobei der Widerstand für eine elektrische Krümmung von dem eines Magneten verschieden wäre. Diese Perimitivität und Permeabilität sind für die Zeitskala verantwortlich, die alle diese Felder benötigen, um sich gegenseitig zu induzieren (ohne Dissipation). Letztendlich messen wir nur experimentell, dass diese intrinsische Ausbreitungsgeschwindigkeit ist c und scheint bei Änderung des Bezugsrahmens unveränderlich zu sein.

Dies stellt keine Erklärung für die Ursache der Werte von dar ϵ 0 und μ 0 . Wenn dies der Fall wäre, wäre dies auch eine Erklärung für die Ursache des Werts von c , die mit ihnen verwandt ist. Aber es kann keine grundlegende Erklärung für den Wert von geben c , aus den Gründen, die in meiner Antwort und ausführlicher in dem von mir dort zitierten Artikel von Duff erläutert werden.
Dies erklärt, warum Licht im Vakuum keine unendliche Geschwindigkeit hat. Ich wollte nicht in die Diskussion über die tatsächlichen Werte der Permittivitäten einsteigen, da sie von den verwendeten Einheiten abhängen.
Dies ist eigentlich eine sehr schöne visuelle Erklärung dafür, warum die Welle selbst im Vakuum eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Die Felder können einfach nicht schneller „zurückbiegen“, also auch nicht dazu führen, dass die Welle schneller geht. Wie physikalisch genau diese Erklärung ist, ist mir noch nicht klar. Aber danke für das Bild und die klare Beziehung zwischen der Welle und dem oszillierenden Feld, das sie verursacht.
Nur um Sie zu beruhigen, dies ist eine physikalisch genaue Beschreibung, die eine Erklärung dafür liefert, wie Licht eine endliche Geschwindigkeit haben kann. Selbst in der Quantenfeldtheorie, das ist die bisher beste Beschreibung der Welt, wird Licht immer noch mit einem Feld beschrieben. Man könnte sich jedoch immer noch fragen, ob es ein magisches Medium geben könnte, in dem sich Licht sogar noch schneller bewegen könnte als im Vakuum (bis ins Unendliche), und die Antwort scheint nein zu sein, wie es in Einsteins spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie gezeigt wurde (erwähnt von xaxa, der übrigens keine 2 Downvotes verdient)
Okay Danke für die Erklärung. Das ist eigentlich die Antwort, nach der ich gesucht habe.
@BenCrowell: Ihre dimensionalen Konstanten = Problem nicht vorhanden.
Ich mag Ihre Antwort, aber steht die Verwendung des Wortes „Fortpflanzung“ nicht im Widerspruch zu Ihrer Behauptung, dass es so etwas wie den Äther nicht gibt. Soweit ich weiß, wurde seine Anwesenheit nie endgültig ausgeschlossen.

Im cgs-System haben {E,D} und {B,H} die gleichen Einheiten. (Dies allein ist Grund genug, cgs zu verwenden.) In Ermangelung eines Mediums müssen die Antwortfunktionen daher sein ϵ = 1 und μ = 1 und diese sind dimensionslos. Sauber und logisch.

Ja, es ist die Struktur der Raumzeit selbst. Die Spezielle Relativitätstheorie beschäftigt sich damit.

Nein, SR erklärt nicht den Wert dieser Konstanten.
Nun, OP fragt tatsächlich warum c ist nicht unendlich...

Ich werde versuchen, meine Antwort auf den Quantenentartungsdruck im Elektronengasmodell von Festkörpern zu beziehen. In diesem Fall ist der Druck eine vollständige Folge der Symmetrisierungsanforderung der Fermionen und kein physikalischer "Druck" als solcher. In ähnlicher Weise hat der freie Raum Quantenfeldfluktuationen und das elektromagnetische Feld im freien Raum ist quantisiert (aus der Quantenelektrodynamik). Und so führt diese Quantisierungsanforderung (analog zur Symmetrisierungsanforderung) zu dem physikalischen "Gegen" (analog zum Druck) ähnlichen Effekt in dieser elektromagnetischen Wellenausbreitung (Elektronengas-Festkörpermodell) auf klassischer Ebene. Permittivität und Permeabilität des freien Raums sind also eine indirekte Folge der QFT, die weiter verfolgt werden muss.

Die Durchlässigkeit ist eine Konstante negativer Energie. Sein Gegenstück – Permittivität – ist eine Konstante positiver Energie. Die Interaktion zwischen beiden erzeugt eine physische Einheit namens RAUM-ZEIT-Geometrie. Es ist diese Raum-Zeit-Geometrie, die die Lichtgeschwindigkeit endlich macht. Negative Energie zieht nach innen und wirkt wie Klebstoff, um das Universum endlich zu machen, und positive Energie zieht das Universum mit gleicher Kraft nach außen. In diesem scheinbaren Tauziehen schwankt das Universum zwischen einem manchmal statischen Zustand und einem manchmal expandierenden Zustand, je nachdem, wo und wann ein Beobachter das Universum wahrnimmt.

Haben Sie irgendwelche Beweise dafür?
Was verursacht die Permittivität und Permeabilität des Vakuums?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v