Esta é talvez uma pergunta totalmente para iniciantes, e tentarei formulá-la da melhor maneira possível, então aqui vai. Como uma onda eletromagnética viaja, por exemplo, o vácuo do espaço?
Normalmente vejo que as ondas são explicadas usando analogias com água, pedaços de corda, cordas de um violão, etc., mas parece-me que todas essas ondas precisam de um meio para se propagar. Na verdade, do meu ponto de vista, nesses exemplos a onda como uma “coisa” não existe, é apenas o meio que se move (referência involuntária a Matrix, desculpe).
Mas em espaço não há meio, então como uma onda viaja? Existem partículas livres de algum tipo neste “vácuo” ou algo assim? Eu acredito a existência de “éter” foi descartada por Michelson e Morley , então supostamente não há “um meio pelo qual a onda possa viajar.
Além disso, eu vi outras respostas que descrevem a luz como uma perturbação do campo eletromagnético, mas não é a existência do campo potencial até que seja perturbado? Como pode viajar por algo que não existe até que seja perturbado pela luz que viaja em primeiro lugar? (Esta última frase é provavelmente um grande equívoco meu).
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- Perguntas relacionadas que você já deve ter visto: physics.stackexchange.com/q107331 , physics.stackexchange.com/q/109982
Resposta
O partículas associadas às ondas eletromagnéticas, descritas pelas equações de Maxwell “, são os fótons . Os fótons são bósons de calibre sem massa, as chamadas “partículas de força” de QED (eletrodinâmica quântica).
Enquanto o som ou as ondas na água são apenas flutuações (ou diferenças) nas densidades do meio (ar , material sólido, água, …), os fótons são partículas reais, ou seja, excitações de um campo quântico. Portanto, o “meio” onde os fótons se propagam é apenas o espaço-tempo que ainda está lá, mesmo na maioria dos lugares abandonados do universo.
As analogias que você mencionou ainda não são tão ruins. Uma vez que não podemos visualizar a propagação das ondas eletromagnéticas, temos que inventar algo que possamos, o que não é surpreendente, outra forma de onda, por exemplo, água ou cordas.
Como o PotonicBoom já mencionou, o campo de fótons existe em todos os lugares no espaço-tempo. No entanto, apenas a excitação do estado fundamental (o estado de vácuo) é o que queremos dizer com a partícula chamada fóton.
Comentários
- Muito bem dito + 1 de mim! É interessante o que você disse sobre o espaço-tempo ser uma espécie de ‘ meio ‘. A métrica não aparece no QED Lagrangiano, então como a afirmação acima é justificada? Só por curiosidade, ‘ m provavelmente está faltando algo óbvio!
- A métrica não aparece explicitamente no Lagrangiano, ou seja, a densidade Lagrangiana $ \ mathcal {L} $ . No entanto, ocorre em produtos escalares, ou seja, $ F ^ {\ mu \ nu} = g ^ {\ mu \ rho} g ^ {\ nu \ sigma} F _ {\ rho \ sigma} $, e na ação, ou seja, o integral sobre $ \ mathcal {L} $. Normalmente, uma teoria quântica de campos é definida no espaço-tempo de Minkowski com o comum $ d ^ 4x $.
- Mas você também poderia defini-la em algum espaço-tempo curvo com a métrica $ g _ {\ mu \ nu} $ e mede $ \ sqrt {g} d ^ 4x $, com $ g = \ det g _ {\ mu \ nu} $. Observe que, neste caso, todos os produtos escalares e a redução e elevação dos índices devem ser feitos com a métrica $ g _ {\ mu \ nu} $, que não é tão simples como no caso de Minkowskiano.
- o cara perguntou sobre uma onda e você respondeu com uma partícula …
Resposta
Se nós simplificar para o eletromagnetismo clássico, então o campo eletromagnético é um campo vetorial que existe em todo o espaço. Um campo eletromagnético dependente do tempo tem uma parte do campo elétrico e uma parte do campo magnético associada a ele e ambas estão mudando com o tempo. Elas são descritas pelas equações de Maxwell.
Este site tem um bom gif animado que mostra como os dois campos vetoriais se propagam no espaço 3D. Observe que os campos elétrico e magnético oscilam (valores de mudança) perpendiculares entre si o tempo todo. O que chamamos então de radiação é apenas o distúrbio de energia em viagem.
Comentários
- Recursos muito legais, obrigado! Acho que preciso olhe para aquele gif hipnotizante por um tempo 🙂
- ‘ não foi o que foi perguntado.
- @Sofia Qual pergunta não foi endereço? É como o campo se propaga.
- @PhotonicBoom sua resposta me faz pensar que não consigo entender a ideia clássica de um campo vetorial que existe em todo o espaço.Um campo vetorial é um conceito, uma ” descrição ” se você quiser, que só chega a ” realidade ” quando é perturbada por outra coisa? (um experimento, uma partícula, etc) e se apresenta como uma força, corrente, etc. Ou é uma coisa física? (talvez não haja resposta para esta pergunta sem entrar no reino da física quântica?). Obrigado novamente!
- @Sofia O fóton não foi mencionado na pergunta. A pergunta era sobre ondas eletromagnéticas, então respondi de maneira adequada. Parece-me que o problema conceitual do OP é com campos. Caso contrário, o que é um fóton? Afinal, é um quantum de um campo quântico. O conceito de um campo é inevitável, você sempre acabará voltando para ele.
Resposta
Visto que, ondas eletromagnéticas têm vetor elétrico e magnético. Devido a isso, as ondas EM mostram campos elétricos e magnéticos. Um campo elétrico e magnético não precisa de um meio para mostrar seu efeito. Conseqüentemente, na presença de vetores de campo elétrico e magnético, que vibram perpendiculares entre si e obtêm a permeação, as ondas EM viajam no vácuo.
Resposta
As ondas eletromagnéticas são apenas um fenômeno observado. Não há viagens.
Como exemplo, podemos escolher um fóton que está “viajando” do Sol para a Terra (para simplificar, não nos importamos com questões de gravidade aqui). Isso significa que o Sol está emitindo um pouco de energia (um momento) que é recebido pela Terra. Até agora está tudo bem. Mas o que está acontecendo entre emissão e absorção? O intervalo de espaço-tempo é zero, porque a linha de mundo do fóton é semelhante à luz. Um intervalo zero vazio não pode ser percorrido, a transmissão do momento está acontecendo diretamente.
O mesmo fenômeno em uma forma reduzida pode ser observado em um experimento mental onde um astronauta faz uma viagem de ida e volta ao espaço perto da velocidade da luz. Ele pode viajar 2.000 anos-luz em 2001 anos, os quais são reduzidos para ele pela dilatação do tempo e contração do comprimento para cerca de 2 anos-luz em cerca de 2 anos. Devido à alta velocidade, o intervalo do espaço-tempo (e seu tempo adequado) encolheu para ca. 2 anos. Quando ele está voltando para a Terra após 2001 anos, apenas 2 anos se passaram para ele (o chamado paradoxo dos gêmeos).
O intervalo de espaço-tempo dos fótons é reduzido a zero, o que significa que eles não viajar através do espaço-tempo, seu momento é transmitido diretamente de um lugar para outro. O único traço observável que eles estão deixando no espaço-tempo é uma onda eletromagnética movendo-se na velocidade da luz c. A onda eletromagnética observada está nos dizendo que em seu lugar o espaço-tempo foi reduzido a zero para transferir um momento. Este fato está de acordo com o segundo postulado da relatividade de Einstein que não diz que a luz está se movendo em c, mas que a luz é observada por qualquer observador como se movendo em c.
Comentários
- Os fótons não ‘ têm um quadro de repouso, de acordo com as respostas à minha pergunta
- Eu ‘ não tenho certeza se você leu bem minha resposta. Não estou falando sobre um quadro de repouso de um fóton.
- Acredito que sua resposta menciona lapso de tempo do ponto de vista do fóton (” O intervalo de espaço-tempo é zero “), entretanto, isso pode ser dito apenas se o quadro está no fóton e ‘ é proibido
Resposta
Os fótons são liberados em pacotes. Portanto, quando a fonte está gerando a onda eletromagnética, ela está realmente sendo liberada na forma de pacotes. Esses pacotes são entidades próprias que viajam por conta própria e não precisam de nenhum meio para mantê-los.