Was ist die Beziehung zwischen elektromagnetischer Welle und Photon?

Sowohl die Wellentheorie des Lichts als auch die Teilchentheorie des Lichts sind Annäherungen an eine tiefer liegende Theorie namens Quantenelektrodynamik (kurz QED). Licht ist weder Welle noch Teilchen, sondern eine Anregung in einem Quantenfeld.

QED ist eine komplizierte Theorie. Obwohl es möglich ist, Berechnungen direkt in QED durchzuführen, finden wir es oft einfacher, eine Annäherung zu verwenden. Die Wellentheorie des Lichts ist oft eine gute Annäherung, wenn wir uns ansehen, wie sich Licht ausbreitet, und die Teilchentheorie des Lichts ist oft eine gute Annäherung, wenn wir uns ansehen, wie Licht interagiert, dh Energie mit etwas anderem austauscht.

Es ist also nicht wirklich möglich, die Frage zu beantworten, wo sich das Photon in dieser Erklärung befindet . Wenn Sie sich ein System wie das im Video ansehen, in dem die Wellentheorie eine gute Beschreibung des Lichts ist, werden Sie im Allgemeinen feststellen, dass die Photonentheorie eine schlechte Beschreibung des Lichts ist und umgekehrt . Die beiden Sichtweisen auf Licht ergänzen sich.

Wenn Sie sich zum Beispiel das in Annas Antwort beschriebene Experiment ansehen (das eines der bahnbrechenden Experimente zum Verständnis der Beugung ist!), gibt uns die Wellentheorie eine gute Beschreibung, wie das Licht durch die Schlitze von Young wandert und das Interferenzmuster erzeugt, aber es kann nicht beschreiben, wie das Licht mit dem Photomultiplier interagiert, der zur Aufnahme des Bildes verwendet wird. Im Gegensatz dazu gibt uns die Photonentheorie eine gute Erklärung dafür, wie das Licht mit dem Photomultiplier interagiert, kann aber nicht beschreiben, wie es durch die Schlitze wanderte und das Beugungsmuster bildete.

In diesem Link gibt es eine mathematische Erklärung dafür, wie ein Ensemble von Photonen der Frequenz$\nu$und Energie$E=h\nu$bauen am Ende kohärent die klassische elektromagnetische Frequenzwelle auf$\nu$.

Es ist nicht einfach zu folgen, wenn man nicht über den mathematischen Hintergrund verfügt. Die konzeptionelle Beobachtung des Aufbaus von Interferenzstreifen einzelner Photonen in einem Zweispaltexperiment könnte Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie, obwohl Licht aus einzelnen Elementarteilchen, Photonen, zusammengesetzt ist, das klassische Wellenmuster entsteht, wenn das Ensemble größer wird.

Abbildung 1. Einzelphotonenkameraaufnahme von Photonen aus einem mit sehr schwachem Laserlicht beleuchteten Doppelspalt. Von links nach rechts: Einzelbild, Überlagerung von 200, 1.000 und 500.000 Bildern.

1995 veröffentlichte Willis Lamb einen provokativen Artikel mit dem Titel "Anti-Photon", Appl. Phys. B60, 77-84 (1995). Da Lamb einer der großen Pioniere der Physik des 20. Jahrhunderts war, ist es nicht einfach, ihn als alten Spinner abzutun.

Er schreibt im einleitenden Absatz:

Die Photonenkonzepte, wie sie von einem hohen Prozentsatz der Laser-Community verwendet werden, haben keine wissenschaftliche Rechtfertigung. Es ist jetzt etwa fünfunddreißig Jahre her, seit der erste Laser hergestellt wurde. Je früher eine angemessene Neuformulierung unserer Bildungsprozesse erfolgen kann, desto besser.

Er schließt mit diesen Kommentaren:

In der Diskussion über die Quantenmechanik gibt es viel über den Welle-Teilchen-Dualismus zu sprechen. Dies kann für diejenigen erforderlich sein, die sich kein Verständnis der Theorie aneignen wollen oder können. Noch sinnloser wird dieser Begriff jedoch in Diskussionen über Probleme der Quantentheorie oder der Strahlung eingeführt. Hier treten die Normalmoduswellen einer rein klassischen Elektrodynamik auf, und für jeden Normalmodus gibt es ein äquivalentes pseudoeinfaches harmonisches Oszillatorteilchen, das dann eine Wellenfunktion haben kann, deren Argument die entsprechende Normalmodusamplitude ist. Beachten Sie, dass das Teilchen kein Photon ist. Man könnte eher an eine Vielzahl von zwei unterschiedlichen Wellenbegriffen und einen Teilchenbegriff für jede Normalmode des Strahlungsfeldes denken. Solche Konzepte sind jedoch wirklich nicht nützlich oder angemessen. Das „Komplementaritätsprinzip“ und der Begriff der Welle-Teilchen-Dualität wurden 1927 von N. Bohr eingeführt. Sie spiegeln die Tatsache wider, dass er sich hauptsächlich mit theoretischen und philosophischen Konzepten befasste und die detaillierte Arbeit Postdoktoranden überließ. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Bohr selbst nach der Formulierung der Quantenmechanik in den Jahren 1925-1926 nie eine bedeutende quantenmechanische Berechnung durchgeführt hat. Es ist höchste Zeit, den Gebrauch des Wortes "Photon" und eines schlechten Konzepts, das bald ein Jahrhundert alt sein wird, aufzugeben. Strahlung besteht nicht aus Teilchen, und die klassische, dh Nicht-Quanten-Grenze von QTR wird durch die Maxwell-Gleichungen für die elektromagnetischen Felder beschrieben, die keine Teilchen beinhalten. Über Strahlung in Bezug auf Partikel zu sprechen, ist, als würde man allgegenwärtige Ausdrücke wie „Sie wissen“ oder „Ich meine“ verwenden. die in manchen Kulturen sehr stark zu hören sind. Für einen Freund von Charlie Brown könnte es als eine Art Schmusetuch dienen.

Um den Welle-Teilchen-Dualismus zu verstehen, muss man einfach verstehen, was Zeit ist:

1905 wurde das Newtonsche Konzept der einzigartigen Zeit durch ein zweifaches Zeitkonzept aus beobachteter Koordinatenzeit und Eigenzeit ersetzt – die beobachtete Zeit ist relativ und beobachterabhängig, und sie wird von der intrinsischen Eigenzeit des beobachteten Teilchens abgeleitet („Die Zeit gemessen durch eine Uhr, die einem bestimmten Objekt folgt"). Die Eigenzeit ist das grundlegendere Zeitkonzept.

Sie können den Welle-Teilchen-Dualismus verstehen, wenn Sie den einfachsten Fall eines Photons betrachten, also ein Photon, das sich mit Lichtgeschwindigkeit c bewegt. Das Raumzeitintervall solcher Photonen (das ihrer Eigenzeit entspricht) ist Null. Das bedeutet, dass das Emissionsereignis und das Absorptionsereignis in der Raumzeit benachbart sind, das emittierende Massenteilchen überträgt den Impuls, der als Photon bezeichnet wird, direkt auf das absorbierende Massenteilchen, ohne dass zwischen ihnen eine Raumzeit liegt. Das bedeutet, dass die Partikeleigenschaften direkt übertragen werden, ohne dass ein masseloses Partikel zwischengeschaltet werden muss.

Für Beobachter ist das Raumzeitintervall Null jedoch nicht beobachtbar, z. B. werden acht Lichtminuten zwischen Sonne und Erde beobachtet, selbst wenn das Raumzeitintervall der Bahn des Photons Null ist. Trotz der direkten Übertragung eines Impulses zwischen zwei Massenteilchen beobachten Beobachter eine elektromagnetische Welle, die die Lücke von acht Lichtminuten füllt.

Zusammenfassend werden Partikeleigenschaften direkt gemäß den Prinzipien der Raumzeitintervalle und der Eigenzeit übertragen, während die Welle gemäß den Prinzipien der beobachteten Raumzeit-Mannigfaltigkeit übertragen wird.

Jetzt werden Sie fragen: Was ist mit Photonen, die sich langsamer als c bewegen (durch Gravitationsfelder und durch transparente Medien)? Die Antwort ist, dass hier Quanteneffekte wie Nichtlokalität impliziert sind. Aber es ist wichtig zu beachten, dass der Grenzfall von Photonen im Vakuum, die sich bei c bewegen, klassisch erklärt und verstanden werden kann, ohne dass eine Quantentheorie erforderlich ist.

Das Photonen-Dilemma

Es wird von Planck postuliert, dass Energie quantisiert ist. Nach der klassischen elektromagnetischen Theorie ist Licht ein elektromagnetisches Feld. Dieses Feld erfüllt eine Wellengleichung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Licht ist also eine elektromagnetische Welle. Licht besteht aus Photonen; und somit trägt jedes Photon eine Energieeinheit. Dieses Verhalten wird durch den photoelektrischen und den Compton-Effekt demonstriert. Da Licht eine elektromagnetische Energie ist, müssen Photonen auch ein elektromagnetisches Feld und eine Einheit davon tragen. Während Photonen Quantenobjekte sind, unterliegt Licht immer noch der klassischen Theorie von Maxwell. Das Photonenmodell stimmt nicht kritisch mit den Maxwell-Gleichungen überein, da es dualer Natur ist. Tatsächlich wird Licht als Welle von Maxwell gut beschrieben. Denken Sie daran, dass die Maxwell-Gleichungen die Planck-Konstante nicht beinhalten, und kann somit die Teilchennatur des Photons nicht beschreiben. Eine vollständige Maxwell-Gleichung sollte dieses fehlende Element beinhalten. Im quantenelektrodynamischen Paradigma wird das Photon dazu gebracht, mit den Elektronen zu interagieren, indem die Idee der minimalen Kopplung aufgerufen wird, bei der Elektronen und Photonen Impulse austauschen. Das Photon tritt als Vermittler zwischen geladenen Teilchen auf.

Während ein sich bewegendes geladenes Teilchen sein elektrisches Eigenfeld und sein Magnetfeld hat, die von der Teilchengeschwindigkeit abhängen, ist das Photon, der Träger der elektromagnetischen Energie, frei von diesen Eigenfeldern, da es keine Ladung und Masse hat. Ein ladungsloses Photon kann also keine elektrischen und magnetischen Felder haben, die seine Bewegung begleiten.

Die entsprechenden Maxwell-Gleichungen sollten dann sowohl den linearen Impuls des Photons als auch seinen Drehimpuls enthalten. In einem solchen Fall können dann die neuen Maxwell-Gleichungen die duale Natur des Photons beschreiben. Der Drehimpuls ist wie die elektrische Ladung im Allgemeinen eine Erhaltungsgröße. Die Frage ist, wie man diese Photoneneigenschaften korrigieren kann. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Quaternionen zu verwenden, die es allgemein ermöglichen, viele physikalische Eigenschaften in einer einzigen Gleichung zu verbinden. Dies liegt daran, dass die Quaternionenalgebra im Gegensatz zu den gewöhnlichen reellen Zahlen so reichhaltig ist. Zu diesem Zweck verwenden wir die Ort-Impuls-Kommutatorklammer und rufen eine Photonenwellenfunktion auf. Diese Wellenfunktion wird aus der linearen komplexen Kombination der elektrischen und magnetischen Felder konstruiert.

Das Ergebnis der Klammer ergibt drei Gleichungen, die die elektrischen und magnetischen Felder des Photons in Bezug auf seinen Drehimpuls definieren. Diese Gleichungen sind den Feldern sehr ähnlich, die durch eine sich bewegende Ladung erzeugt werden. Somit erfordern die elektrischen und magnetischen Felder des Photons keine Ladung für das Photon. Es ist faszinierend, dass das Photon keine Ladung und Masse hat, aber elektrische und magnetische Felder sowie Energie hat. Diese Felder sollten auch die Maxwell-Gleichungen erfüllen. Dadurch ergeben sich für das Photon zusätzliche elektrische und magnetische Ladungs- und Stromdichten. Die entstehenden Maxwell-Gleichungen sind nun geeignet, das Photon als Quantenteilchen zu beschreiben. Diese zusätzlichen Terme in den Maxwell-Gleichungen sind die Quelle für die Beschreibung des Verhaltens der Photonen-Quantenelektrodynamik.

Hier sind die quantisierten Maxwell-Gleichungen, die den Linear- und Drehimpuls des Photons enthalten. Dies sind die elektrischen und magnetischen Felder aufgrund des Photons als Teilchen:

$$\begin{equation} \vec{L}\cdot\vec{E}=-\frac{3\hbar c}{2}\,\Lambda\,, \qquad\qquad \vec{L}\cdot\vec{B}=0\,, \end{equation}$$ und $$\begin{equation} \vec{B}=-\frac{2}{3\hbar c}\,(\vec{L}\times\vec{E})\,,\qquad\qquad\vec{E}=\frac{2 c}{3\hbar}(-\Lambda\,\vec{L}+\vec{L}\times\vec{B})\,. \end{equation}$$ Und das sind die neuen Maxwell-Gleichungen: $$\begin{equation} \vec{\nabla}\cdot\vec{E}=-\frac{4c}{3\hbar}\,\,(\vec{B}-\frac{1}{2}\,\mu_0\vec{r}\times\vec{J})\cdot\vec{p}+\frac{2}{3\hbar c}\,\vec{E}\cdot\vec{\tau}+\frac{\partial \Lambda}{\partial t}\,,\qquad \vec{\nabla}\cdot\vec{B}=\frac{4}{3\hbar c}\,\,\vec{E}\cdot\vec{p}+\frac{2}{3\hbar c}\,\vec{B}\cdot\vec{\tau}\,, \end{equation}$$ und $$\begin{equation} \vec{\nabla}\times\vec{B}=\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial\vec{E}}{\partial t}+\frac{2}{3\hbar c}\left(\Lambda\vec{\tau}+\vec{B}\times\vec{\tau }-\frac{\vec{P}}{\varepsilon_0}\times\vec{p}\right)-\vec{\nabla}\Lambda\,, \end{equation}$$

$$\begin{equation} \vec{\nabla}\times\vec{E}=-\frac{\partial\vec{B}}{\partial t}-\frac{2c}{3\hbar}\left(\mu_0\vec{J}\times\vec{L}+\frac{\vec{\tau}}{c^2}\times\vec{E}+2\Lambda\,\vec{p}\right)\,, \end{equation}$$ wo $$\begin{equation} -\Lambda=\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial\varphi}{\partial t}+\vec{\nabla}\cdot\vec{A}=\partial_\mu A^\mu\,. \end{equation}$$ In der Standard-Elektrodynamik$\Lambda=0$stellt die Lorenz-Eichbedingung dar.

Sie berichten, dass in dem Video gesagt wird, dass eine elektromagnetische Welle „eine Kettenreaktion elektrischer und magnetischer Felder ist, die sich gegenseitig erzeugen, sodass sich die Wellenkette vorwärts bewegt“. Ich bin mit dieser Ansicht nicht einverstanden. Es gibt nur eine Welle, die des Vektorpotentials oder allgemeiner der vier Potentiale. Die elektrischen und magnetischen Felder sind nur Ableitungen des Vektorpotentials und "erzeugen sich nicht gegenseitig".

Wenn wir diese Erklärung verwerfen, gelangen wir dann zu Ihrer tieferen Frage: "Was ist die Beziehung zwischen elektromagnetischer Welle und Photon?"

Bis vor einigen Jahren teilte ich die Meinung von Willis Lamb, dass das Photon ein fiktives Teilchen ist. Ich änderte schließlich meine Meinung, weil eine solche Erklärung Beugungsexperimente mit geringer Intensität nicht erklären kann. Wie kann ein einzelnes Atom oder Molekül eine Welle absorbieren, die viel größer ist als es selbst? Beachten Sie, dass ich hier nicht beabsichtige, eine Diskussion darüber abzubrechen, sondern meine Interpretation geben möchte. Das Vektorpotential beschreibt nämlich die Wahrscheinlichkeit , dass ein Photon absorbiert wird, genau wie die Wellenfunktionen von Schrödinger und Dirac für ein Elektron. Tatsächlich können die Maxwell-Gleichungen im Vakuum als Wellengleichung geschrieben werden, die der Klein-Gordon-Gleichung sehr ähnlich ist. Diese Interpretation impliziert, dass das Photon tatsächlich als Teilchen existiert, viel kleiner als ein Atom und mindestens so klein wie ein Nukleon.

Was sind Photonen?

Photonen werden jedes Mal emittiert, wenn ein Körper eine Temperatur von mehr als 0 Kelvin (der absoluten Nulltemperatur) hat. Alle uns umgebenden Körper (außer Schwarzen Löchern) strahlen zu jeder Zeit. Sie geben Strahlung an die Umgebung ab und empfangen Strahlung aus der Umgebung. Max Planck war der Physiker, der herausfand, dass diese Strahlung in kleinen Portionen, später Quanten und noch später Photonen genannt, emittiert werden muss. Durch einige Änderungen in der Vorstellung, wie Elektronen um den Kern verteilt sind, wurde der Schluss gezogen, dass Elektronen durch einfallende Photonen gestört werden, auf diese Weise Energie gewinnen und diese Energie durch die Emission von Photonen zurückgeben. Und Photonen werden nicht nur von Elektronen emittiert. Der Kern emittiert, wenn er gut gestört ist, auch Photonen. Solche Strahlungen werden Röntgen- und Gammastrahlen genannt.

Was ist elektromagnetische Strahlung?

EM-Strahlung ist die Summe aller emittierten Photonen der beteiligten Elektronen, Protonen und Neutronen eines Körpers. Alle Körper senden Infrarotstrahlung aus; beginnend mit ca. 500°C geben sie sichtbares Licht ab, leuchten zunächst rot und leuchten dann immer heller. Es gibt einige Methoden, um die Emission von EM-Strahlung zu stimulieren. Es wurde herausgefunden, dass es neben der Re-Emission von Photonen eine zweite Möglichkeit gibt, EM-Strahlung zu erzeugen. Jedes Mal, wenn ein Elektron beschleunigt wird, sendet es Photonen aus. Diese Erklärung hilft zu verstehen, was im Glühfaden einer Glühbirne passiert. Die Elektronen am Filament bewegen sich nicht geradeaus, sie stoßen aneinander und laufen im Zickzack. Durch diese Beschleunigungen verlieren sie Energie und diese Energie wird als Photonen emittiert. Die meisten dieser Photonen sind Infrarotphotonen, und einige dieser Photonen befinden sich im Bereich des sichtbaren Lichts. In einer Leuchtstoffröhre werden die Elektronen mit höherer Energie beschleunigt und emittieren ultraviolette Photonen (die durch die fluoreszierende Beschichtung des Glases in sichtbares Licht umgewandelt werden). Elektronen mit höherer Energie (mit höherer Geschwindigkeit) erreichen den Kern und der Kern sendet Röntgenstrahlen aus. Solange die eingebrachte Energie ein kontinuierlicher Fluss ist, kann man keine Oszillation der EM-Strahlung messen.

Was sind EM-Wellen?

Mit einem Wellengenerator ist es möglich, oszillierende EM-Strahlung zu erzeugen. Solche Strahlungen werden Radiowellen genannt. Es wurde herausgefunden, dass ein modifizierter LC-Schaltkreis in Einheit mit einem Wellengenerator strahlen kann und dass es möglich ist, eine solche modulierte Strahlung (einer bestimmten Frequenz) aus der umgebenden verrauschten EM-Strahlung herauszufiltern.

Der Wellengenerator hat also eine Doppelfunktion. Der Generator muss die Elektronen im Antennenstab vorwärts und rückwärts beschleunigen und dadurch werden die Photonen der Radiowelle emittiert, und der Generator ermöglicht es, diese EM-Strahlung mit einer Trägerfrequenz zu modulieren. Es muss betont werden, dass die Frequenz der emittierten Photonen im IR-Bereich und manchmal im Röntgenbereich liegt. Es besteht ein optimales Verhältnis zwischen der Länge des Antennenstabes und der Frequenz des Wellengenerators. Aber natürlich kann man die Länge des Stabes ändern oder man kann die Frequenz des Generators ändern. Dadurch ändert sich die Effizienz der Strahlung nur auf den benötigten Energieeintrag. Von der Länge des Antennenstabes auf die Wellenlänge der emittierten Photonen zu schließen ist Unsinn.

Was ist die Wellencharakteristik des Photons?

Da die Elektronen in einem Antennenstab mehr oder weniger gleichzeitig beschleunigt werden, senden sie gleichzeitig Photonen aus. Die EM-Strahlung einer Antenne ist messbar und es wurde herausgefunden, dass das Nahfeld einer Antenne zwei Komponenten hat, eine elektrische Feldkomponente und eine magnetische Feldkomponente. Diese beiden Komponenten werden ineinander umgewandelt, die sich gegenseitig induzieren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet sich die Sendeenergie in der elektrischen Feldkomponente und ansonsten in der magnetischen Feldkomponente. Warum also nicht aus dem Gesamtbild auf die Natur der beteiligten Photonen schließen? Sie sind die Bestandteile, die die Radiowelle erzeugen.

Der Grund, warum die Maxwell-Theorie das Photon nicht beschreiben kann, ist, dass die Strahlungsphänomene wechselseitige Energiephänomene sind.

Es ist kein Phänomen der Selbstenergie. Herkömmliche Lösungen elektromagnetischer Felder machen hier Fehler. Phänomene der gegenseitigen Energie umfassen das Theorem der gegenseitigen Energie, das Theorem des gegenseitigen Energieflusses und das Prinzip der gegenseitigen Energie. All dies bezieht sich auf die Gegeninduktivität. Selbstenergiephänomene umfassen den Selbstenergiefluss (Poynting-Vektor-Energiefluss), das Selbstenergieprinzip (Selbstenergiefluss trägt keine Energie). All dies bezieht sich auf die Selbstinduktion.

Energieeinspargesetz

Wie kann man Phänomene der gegenseitigen Energiestrahlung beschreiben? Maxwell-Gleichungen 4 Formel sollte eine weitere Formel hinzugefügt werden, die das Energieerhaltungsgesetz ist. Angenommen, es gibt sie$N$Aktuelle Quellen:$\boldsymbol{J}_{i}$,$i=1,...N$. Die entsprechenden Felder sind$\xi_{i}=[\boldsymbol{E}_{i},\boldsymbol{H}_{i}]$, Ein Strom$\boldsymbol{J}_{i}$wird einen anderen Strom anbieten$\boldsymbol{J}_{j}$etwas Kraft,

$$\begin{equation} P_{ij}=\iiint_{V}(\boldsymbol{J}_{j}\cdot\boldsymbol{E}_{i})dV\label{eq:1} \end{equation}$$

Das Obige ist der Leistungsstrom$\boldsymbol{J}_{i}$verirrt. Diese Leistung wird vom Strom aufgenommen$\boldsymbol{J}_{j}$.

$$\begin{equation} P_{ji}=\iiint_{V}(\boldsymbol{J}_{i}\cdot\boldsymbol{E}_{j})dV\label{eq:2} \end{equation}$$ ist der Leistungsstrom$\boldsymbol{J}_{j}$dem Strom geben$\boldsymbol{J}_{i}$. Wann$\boldsymbol{J}_{i}$etwas Energie verloren, diese Energie wird durch Strom empfangen$\boldsymbol{J}_{j}$. Die Gesamtenergie ändert sich also nicht, d.h.

$$\begin{equation} \intop_{t=-\infty}^{\infty}(P_{ji}+P_{ji})dt=0\label{eq:3} \end{equation}$$

Betrachten Sie alle$N$Stromquellen gibt es,

$$\begin{equation} \sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1,j\neq i}^{N}\intop_{t=-\infty}^{\infty}dt\iiint_{V}(\boldsymbol{J}_{j}\cdot\boldsymbol{E}_{i})dV=0\label{eq:4} \end{equation}$$

Diese Formel ist selbsterklärend (eingeführt von Shuang-ren Zhao). Es sollte zu den Maxwell-Gleichungen hinzugefügt werden.

Prinzip der gegenseitigen Energie Eine weitere Formel, die ebenfalls zur Maxwell-Gleichung hinzugefügt werden sollte, ist das Prinzip der gegenseitigen Energie (eingeführt von Shuang-ren Zhao)

$$\begin{equation} -\sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1,j\neq i}^{N}\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{i}\times\boldsymbol{H}_{j})\cdot\hat{n}d\Gamma=\sum_{i=1}^{N}\sum_{J=1,j\neq i}^{N}\iiint_{V}(\boldsymbol{J}_{i}\cdot\boldsymbol{E}_{j}+\frac{\partial}{\partial t}(\boldsymbol{E}_{i}\cdot\boldsymbol{D}_{j}+\boldsymbol{H}_{i}\cdot\boldsymbol{B}_{j}))dV\label{eq:5} \end{equation}$$

Das Prinzip der gegenseitigen Energie kann aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet werden, indem einige Bedingungen hinzugefügt werden. Die Bedingungen der Maxwell-Gleichung müssen paarweise aufgestellt werden. In jedem Paar gibt es Lösungen für Sendeantenne und Empfangsantenne. Oder Paar für Emitter und Absorber. Das bedeutet, dass Empfangsantenne und Absorber ebenfalls Wellen abstrahlen. Das bedeutet auch, dass die Strahlung ein wechselseitiges Energiephänomen annehmen soll, dass sich Empfangsantenne und Absorber ebenfalls der Strahlungstheorie anschließen müssen.

$R$ist die Menge der Lösung der verzögerten Welle.$A$ist die Menge der Lösung der fortgeschrittenen Welle.$R\cup A$ist die Menge der Lösungen der Maxwell-Gleichungen.$R\cap A$ist die Menge der Lösung des Prinzips der gegenseitigen Energie.$R\cap A$sind die Lösungen der Physik.$R\cap A$Möglich ist die Lösung der Physik, aber auch eine ungültige Lösung.

Wir können die elektromagnetische Feldtheorie auch aufbauen, indem wir die obige Formel für das Prinzip der gegenseitigen Energie hinzufügen, dann können die obigen Beschreibungen aus dem Prinzip der gegenseitigen Energie abgeleitet werden.

Angenommen, sowohl der Energieerhaltungssatz als auch das Prinzip der gegenseitigen Energie werden von uns als zwei neue Axiome akzeptiert. Aus diesen beiden Gesetzen können wir beweisen, dass

$$\begin{equation} \sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1,j\neq i}^{N}\intop_{t=-\infty}^{\infty}dt\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{i}\times\boldsymbol{H}_{j})\cdot\hat{n}d\Gamma=0\label{eq:6} \end{equation}$$ $\Gamma$ist die Grenze des Volumens$V$. Es kann als große Kugel mit unendlichem Radius gewählt werden. Das bedeutet, es sollte kein gegenseitiger Energiefluss nach außerhalb unseres Universums gehen. Dies ist eindeutig ein korrekter Satz. Um die obige Formel als 0, die beiden elektromagnetischen Felder$\xi_{i}=[\boldsymbol{E}_{i},\boldsymbol{H}_{i}]$und$\xi_{j}=[\boldsymbol{E}_{j},\boldsymbol{H}_{j}]$muss eine verzögerte Welle und eine fortgeschrittene Welle sein. Die verzögerte Welle erreicht die Oberfläche zu einem späteren Zeitpunkt. Die fortgeschrittene Welle erreicht die Oberfläche zu einem vergangenen Zeitpunkt. Die elektromagnetischen Felder werden in der Oberfläche nicht gleichzeitig ungleich Null sein, daher ist das Oberflächenintegral 0.

Wir können davon ausgehen, dass der Strom die verzögerte Welle als Sendeantenne oder Sender sendet. Der Strom sendet eine fortgeschrittene Welle als Empfangsantenne oder Absorber. Daher müssen Sendeantenne und Sender die verzögerte Welle abstrahlen. Die Empfangsantenne und der Absorber müssen fortgeschrittene Wellen abstrahlen.

Über die fortgeschrittene Welle haben Wheeler und Feynman die Absorbertheorie. John Cramer hat die transaktionale Interpretation der Quantenmechanik.

Theorem des gegenseitigen Energieflusses, Photon ist der gegenseitige Energiefluss

Aus dem Prinzip der gegenseitigen Energie kann das Theorem des gegenseitigen Energieflusses abgeleitet werden. Davon ausgehen$N=2$, der Satz über den gegenseitigen Energiefluss lautet:

$$\begin{equation} -\intop_{t=-\infty}^{\infty}dt\iiint_{V_{1}}(\boldsymbol{J}_{1}\cdot\boldsymbol{E}_{2})dV=(\xi_{1},\xi_{2})=\intop_{t=-\infty}^{\infty}dt\iiint_{V_{2}}(\boldsymbol{J}_{2}\cdot\boldsymbol{E}_{1})dV\label{eq:7} \end{equation}$$ Das Fließen ist der gegenseitige Energiefluss: $$\begin{equation} (\xi_{1},\xi_{2})=\intop_{t=-\infty}^{\infty}dt\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{1}\times\boldsymbol{H}_{2}+\boldsymbol{E}_{2}\times\boldsymbol{H}_{1})\cdot\hat{n}d\Gamma\label{eq:8} \end{equation}$$ $\Gamma$ist jede Oberfläche, die das Volumen trennt$V_{1}$und$V_{2}$. Siehe die folgende Abbildung für die Form des gegenseitigen Energieflusses. $\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{1}\times\boldsymbol{H}_{2}+\boldsymbol{E}_{2}\times\boldsymbol{H}_{1})\cdot\hat{n}d\Gamma$ist der gegenseitige Energiefluss. Der wechselseitige Energiefluss wird im Gegensatz zum Eigenenergiefluss definiert:$\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{1}\times\boldsymbol{H}_{1})\cdot\hat{n}d\Gamma$ $\iint_{\Gamma}(\boldsymbol{E}_{2}\times\boldsymbol{H}_{2})\cdot\hat{n}d\Gamma$.$(\xi_{1},\xi_{2})$ist die gegenseitige Energie, die durch die Oberfläche geht$\Gamma$durch den gegenseitigen Energiefluss. Der gegenseitige Energiefluss nimmt nicht wie eine Welle ab. Die Amplitude der Welle nimmt ab, wenn sie sich ausbreitet. Der gegenseitige Energiefluss nimmt bei seiner Ausbreitung nicht ab. Der gegenseitige Energiefluss ist sehr dünn, wenn er abgestrahlt oder empfangen wird. Die gegenseitige Energie wird zwischen Quelle und Senke dick sein. Daher ähnelt der gegenseitige Energiefluss sehr einem Photon. Wir können sagen, dass das Photon tatsächlich der gegenseitige Energiefluss ist.

Gemäß dieser Theorie überträgt der Eigenenergiefluss oder die Eigenenergiestrahlung keine Energie im Raum. Der Eigenenergiefluss ist die Normalwellenlösung der Maxwell-Gleichungen (die Maxwell-Gleichung nur für eine Stromquelle). Diese Wellen werden durch Zeitumkehrwellen aufgehoben. Es gibt zwei Arten von Zeitumkehrwellen, die der verzögerten Welle und der fortgeschrittenen Welle entsprechen. Das Folgende ist eine Abbildung von Photon. Der Emitter sendet die verzögerte Welle, der Absorber die fortgeschrittene Welle. Die verzögerte Welle und die fortgeschrittene Welle sind entweder reaktive Wellen oder sie kollabieren zurück. Der gegenseitige Energiefluss bringt die Photonenenergie vom Emitter zum Absorber.

Wellenkollaps In der Quantenmechanik kollabieren Wellen, dies kann wie folgt gezeigt werden:

In der Theorie der gegenseitigen Energie wird der Wellenkollaps tatsächlich durch einen Wellen-Rückwärtskollaps-Prozess und einen Prozess des gegenseitigen Energieflusses bewirkt:

Zusammenfassung : (1) Photon ist keine Welle, sondern der gegenseitige Energiefluss. Der gegenseitige Energiefluss wird durch die verzögerte Welle aufgebaut, die von einem Emitter gesendet wird, und die fortgeschrittene Welle, die von einem Absorber gesendet wird. (2) Es gibt 4 Wellen, verzögerte Welle, fortgeschrittene Welle und zwei Zeitumkehrwellen. Alle 4 Wellen heben sich gegenseitig auf. Der gegenseitige Energiefluss überlebt jedoch. (3) Wellenkollaps kann durch die beiden Phänomene beschrieben werden: Die Energie wird durch die gegenseitige Energie übertragen. Die verzögerte Welle und die voreilende Welle werden durch die Zeitumkehrwellen aufgehoben. Wenn diese Theorie interessant ist, können die Details bei Google nach dem Stichwort mutual energy principle'' or "Gemeinsamer Energiefluss", "Selbstenergieprinzip" gesucht werden.