Was ist die physikalische Natur elektromagnetischer Wellen?

Felder

Zuerst müssen Sie verstehen, was ein Feld ist. Es gibt eine sehr gute Antwort von dmckee darauf, was ein Feld wirklich ist, das Sie lesen können (und sollten), aber ich werde meine eigene Version ausprobieren. Mathematisch gesehen ist ein Feld etwas, das an jedem Punkt von Raum und Zeit einen Wert hat. Ein typisches Beispiel ist die Temperatur. Die Luft in Ihrem Zimmer hat an jedem Punkt eine andere Temperatur und diese Temperatur kann sich mit der Zeit ändern, also ordnen wir jedem Punkt im Raum und in der Zeit eine Zahl zu$T$. Wir könnten schreiben$T(x, y, z, t)$, was anzeigt, dass die Temperatur eine Funktion von ist$x, y, z$(Leerzeichen) und$t$(Zeit).

Die Temperatur ist ein Skalarfeld , da sie an jedem Punkt ein Skalar (dh eine Zahl) ist. Aber wir können verschiedene Arten von Feldern haben. Zum Beispiel bewegt sich die Luft in Ihrem Raum möglicherweise und hat daher an jedem Punkt eine gewisse Geschwindigkeit$\mathbf{v}(x,y,z,t)$. Diese Geschwindigkeit ist ein Vektorfeld , da sie an jedem Punkt eine Größe und eine Richtung hat (wenn Sie nicht wissen, was ein Vektor ist, stellen Sie ihn sich als kleinen Pfeil vor; die Richtung sagt Ihnen, in welche Richtung sich die Luft an diesem bestimmten Punkt bewegt Punkt, und die Länge des Pfeils sagt Ihnen, wie schnell er sich bewegt).

Wellen

Luft kann Wellen tragen, die wir Schall nennen. Schall ist nichts anderes als ein Bündel von Luftmolekülen, die so zusammenschwingen, dass sie Energie von einem Ort zum anderen transportieren, so wie wir Wellen im Wasser sehen. Mit unseren Fantasiefeldern können wir eine Welle beschreiben, indem wir sagen, dass die Geschwindigkeit an jedem Punkt hin und her oszilliert und die Phase dieser Oszillation sich ändert, wenn wir uns von Ort zu Ort bewegen.

Temperatur und Geschwindigkeit sind Felder, die in gewissem Sinne physikalisch nicht für sich existieren: Sie beschreiben eine Eigenschaft einer Flüssigkeit, aber es ist die Flüssigkeit, die eine physikalische Realität hat, nicht ihre Eigenschaften. Aber es gibt Felder, die keine Eigenschaft von irgendetwas anderem sind, und das elektromagnetische Feld ist das wichtigste unter ihnen.

Elektromagnetisches Feld

Das elektromagnetische Feld wird durch zwei Vektorfelder beschrieben$\mathbf{E}$Und$\mathbf{B}$, elektrisches bzw. magnetisches Feld genannt. Für Lichtzwecke können wir das vergessen$\mathbf{B}$und sprechen Sie einfach über das elektrische Feld. Genau wie die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit kann dieses Feld an jedem Punkt der Raumzeit durch einen Pfeil dargestellt werden. Seine physikalische Interpretation ist, dass, wenn Sie irgendwo eine Ladung platzieren, die Ladung eine Kraft spürt, die in die Richtung zeigt$\mathbf{E}$und ist proportional zu seiner Größe. (Es gibt auch magnetische Effekte, aber wir ignorieren diese). Dies ist einfach eine differenziertere Sichtweise der Idee, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen; Anstatt an eine Kraft zwischen den Ladungen zu denken, sagen wir, dass eine Ladung in ihrer Nähe ein elektrisches Feld erzeugt, das wiederum von der anderen Ladung gefühlt wird.

Eine elektromagnetische Welle ist einfach eine Schwingung der elektrischen und magnetischen Felder. An jedem Punkt nimmt die Größe des Feldes mit der Zeit zu und ab. Wikpiedia hat einige schöne Gifs, die diesen Prozess in Zeit und Raum zeigen. Die Wellenlänge ist ein physikalischer Abstand: Es ist der Abstand zwischen zwei Maxima oder zwei Minima des Feldes. Die Amplitude ist jedoch kein Abstand: Sie misst, wie stark das Feld ist, und wird daher in Feldeinheiten gemessen (Newton pro Coulomb oder Volt pro Meter für das elektrische Feld in SI-Einheiten).

Sie können auf den üblichen Bildern sehen, dass eine EM-Welle eine Transversalwelle ist ; dh die Richtung der Felder ist senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts. Dies steht im Gegensatz zu einer Schallwelle, die longitudinal ist : Das heißt, die Moleküle schwingen hin und her und bewegen sich in derselben Linie, in der sich die Welle bewegt.

Beantworten wir also Ihre Fragen:

a) Die Spitzen und Täler sind die Punkte, an denen die Größe des Feldes in der einen oder anderen Richtung maximal ist. Daher macht es wenig Sinn, zwischen Gipfeln und Tälern zu unterscheiden, denn wenn man von der anderen Seite schaut, tauschen sie ihre Plätze.

b,c,d) Eine Welle nimmt nicht wirklich Platz ein. Über einem Raumbereich können sich Felder befinden, aber die Pfeile, die Sie in den Animationen sehen, haben keine physische Länge. Sie stellen die Größe der Felder dar, nehmen aber keinen physischen Raum ein. Denken Sie daran, dass es zwei Pfeile gibt (wegen$\mathbf{E}$Und$\mathbf{B}$) an jedem Punkt im Raum. Wie ich bereits gesagt habe und in den Kommentaren gesagt wurde, sind Wellenlängen Längen, weil sie der Abstand zwischen zwei Maxima sind, aber Amplituden sind keine Längen.

Das mentale Bild, das Sie in Ihrer Frage beschreiben, ist, wenn Sie mir verzeihen, ein Durcheinander. Sie vermischen diese Beschreibung von EM-Wellen mit der quantenmechanischen Sichtweise, was mit ziemlicher Sicherheit zu Fehlern führen wird. QM befasst sich normalerweise mit Teilchen, daher ist die Grundidee, dass man sich Licht jetzt als ein Bündel von Teilchen (Photonen) vorstellt, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, an jedem Punkt im Raum ein Photon zu finden. Die Sache mit der Quantenmechanik ist, dass sie extrem seltsam ist und selbst die besten Physiker Schwierigkeiten haben, sich ein intuitives geistiges Bild davon zu machen, wie sie funktioniert. Vergessen Sie also bitte Photonen, bis Sie die klassischen Wellen, die ich in diesem Beitrag beschrieben habe, wirklich verstanden haben.