1.8. Электромагнитные волны
Продолжим об электромагнитных волнах (ЭМВ), начало было положено в разделе 1.6. «Гравитация – это свет».
Согласно принципу Гюйгенса—Френеля каждый элемент волновой поверхности служит источником вторичной сферической волны. Это явление в известном анекдоте пытался поставить под сомнение один из представителей славного северного народа. Вот сидит он на берегу Берингова залива и кидает в воду кирпичи. Окружающие его спрашивают: «Ты зачем кирпичи изводишь?» Он в ответ: «Да хочу понять, почему кирпичи „квадратные“, а волны от них круглые!»
В данном случае экспериментатор получал двумерные волны, но они оказались тоже круглыми. Сферические волны похожи на них, только распространяются они по всем направлениям в пространстве.
Если от источника распространяются сферические волны, то интенсивность энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния от данного источника.
В общем виде: электромагнитные волны представляют собой периодические колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся без потерь в среде или вакууме.
В 1862 г. Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ М. Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. Согласно его расчетам, ЭМВ должны распространяться со скоростью, равной ранее установленной скорости распространения света. Из этого факта следует, что свет представляет собой лишь один из видов ЭМВ.
Гипотеза Максвелла о существовании электромагнитных волн через 25 лет нашла экспериментальное подтверждение в работах Генриха Герца. В различных источниках приводится фраза изобретателя: «Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» – спросил Герца один из его студентов. На что Герц пожал плечами и ответил: «Я предполагаю – ничего».
Вслед за Герцем экспериментаторами были получены электромагнитные волны, нашедшие применение в технике. Изобретатели радиопередатчиков и приемников Н. Тесла, Н. Попов и Г. Маркони смогли доказать полезность ЭМВ. А за ними и В. Рентген, вот этого человека все знают, так как каждый из нас имеет фотографию, сделанную в рентгеновских лучах, Х-лучах, как их называл сам изобретатель.
Герц в своих экспериментах впервые получил ЭМВ с длиной волны 10—100 м. Его опыты показали, что полученные волны сходны со световыми волнами, отличаясь от них лишь большей длиной. В дальнейшем усилиями разных ученых были получены ЭМВ с более высокими и низкими частотами. В данное время, как утверждают некоторые ученые-оптимисты, нет никаких физических пределов, ограничивающих частоту электромагнитных волн, нужен лишь подходящий источник колебаний.
Я бы не согласился с таким оптимистичным высказыванием – есть предельная величина генерации электромагнитной волны, так как существует предел размеров и энергии источника генерации. Предел есть, его расчет будет представлен позднее на страницах данной книги (в гл. 3).
В мире, как оказывается, все конечно, соответственно, и есть где-то начало. Куда будем двигаться – в историю или в будущее? Куда быстрее и легче дойти? Пойдем, как молния, тем курсом, где наименьшее сопротивление. А где оно меньше? Казалось бы, прошлое за нашими плечами, мы его давно прошли, но истины возникновения жизни так и не знаем, как и ее будущий конец. И там, позади, неизвестность и впереди тьма, но ясно одно: сопротивление меньше там, где больше накоплено знаний. Будем пробиваться к знанию!
Закончим с философией и пойдем вперед – в будущее, впереди очень интересное исследование.
Электрические методы пригодны для получения ЭМВ с частотами вплоть до 1012 Гц (λ= 0,3 мм). В указанный диапазон излучения попадают источники радиоволн и ультракоротких волн. На данных частотах работает радиовещание, телевидение, радиолокация и другие виды связи.
Для получения ЭМВ с частотами выше ультракоротковолнового диапазона электрические методы возбуждения вибратора уже не пригодны, и здесь применяются источники излучения на атомном уровне.
Инфракрасное излучение, его еще называют тепловое, с частотами 1012—1014 Гц (λ=0,1 мм—770 нм), находится в диапазоне между ультракоротковолновым и узкой полосой частот, характерной для видимого, светового излучения 1014 Гц (λ=770—380 нм). За световым излучением расположены ультрафиолетовое 1015—1017 Гц и рентгеновское 1018—1019 Гц с длинами волн от 10—7—10—13 м. Предел частот, которые могут генерироваться на атомном уровне, находится вблизи 1020 Гц. Излучение с более высокими частотами (гамма-излучение) возникает внутри атомных ядер и при взаимодействии частиц очень высоких энергий.
Электромагнитные волны, несмотря на различные названия, сходны по своему характеру и различаются только частотой генерации. Несмотря на свою схожесть, способ их взаимодействия с веществом различен и связан с их энергией. К примеру, наш глаз чувствителен к свету, тогда как кожа может воспринимать тепловое излучение. Радиоволны не проходят через тонкую металлическую фольгу, тогда как рентгеновские и гамма-лучи свободно проникают через нее.
Далее мы рассмотрим еще одно очень важное свойство электромагнитных волн – это перенос ими энергии.
ЭМВ – переносчики гравитации
Казалось бы, спустя век с небольшим «таинство» электромагнитных волн, о котором говорил Герц, раскрыто полностью. ЭМВ за все эти годы исследованы по всем направлениям, но, полагаю, что от исследователей оказался скрытым еще один существенный признак, о котором пойдет речь далее.
Гравитационное поле и гравитационные волны возникают там, где имеются материальные массы. Все, что имеет массу, а масса присуща любому виду материи, испытывает гравитационное воздействие. К этому известному факту я бы добавил еще одно очень важное дополнение – материальные массы (тела) для гравитационного взаимодействия должны обладать энергией, т. е. иметь температуру выше абсолютного нуля.
Поскольку гравитационные волны как особое излучение, которое отвечало бы только за гравитационное взаимодействие, до сего времени не обнаружены, а гравитация существует, то природа возложила функции гравитации на известные физике явления, для того чтобы мы не остались невесомыми. Посмотрим, что ей для этого необходимо.
Для существования гравитационных волн требуется наличие четырех условий: 1) генератора (излучателя); 2) переносчика; 3) ретранслятора; 4) приемника.
Начнем с конца, т. е. с приемника. Здесь, я думаю, все ясно и понятно – приемниками являются все материальные тела, они же являются и ретрансляторами.
С генераторами тоже ясно: если планеты вращаются вокруг звезд, то генераторами гравитационной энергии являются те самые звезды.
Остается выяснить, что это за гравитационные волны – переносчики гравитации?
Всем понятно, что для удержания громадных планетарных масс на орбитах требуется огромная энергия. Вопрос: на какие плечи природа могла возложить это тяжкое бремя?
Мой ответ однозначен: только на электромагнитное излучение. Энергия звезд распространяется в виде фотонного, электромагнитного излучения, т. е. это излучение и переносит энергию. Да, это не открытие Америки! Но тогда, если логически продолжить мысль, электромагнитное излучение и должно отвечать за гравитацию. В природе нет другой, более мощной энергии, чтобы удерживать на орбитах огромные массы планет.
Если все ЭМВ переносят тепловую и световую энергию, то все они и должны переносить гравитацию!
Должны, но не обязаны, уточнит читатель. Или обязаны? Проверим ЭМВ на предмет задолженности и обязательства.
При распространении электромагнитных волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за некоторое фиксированное время Δt через нее пройдет энергия ΔW, равная:
ΔW= (We +Wm) υSΔt.
We – электрическая составляющая энергии
Wm – магнитная составляющая энергии
υ – скорость распространения ЭМВ
Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади.
Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а его модуль равен EB/μμo. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.
Подставляя сюда выражения для We, Wm и υ, можно получить
Поскольку переносится энергия, то электромагнитной волне должен быть присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением:
W – объемная плотность электромагнитной энергии,
с – скорость распространения ЭМВ в вакууме.
Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы. Для поля в единичном объеме
Отсюда следует
W=mc2 (1.6)
Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля считается универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения2. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом и массой.
Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.
Свет, теплота, гравитация – вот это энергетическое трио, порожденное одним источником и переносимое электромагнитными волнами всего частотного диапазона.
Перейдем к трансляторам гравитации.
Что является ретранслятором данной энергии? Очевидно, те самые планеты, а по существу – все материальные тела, включая и частицы. Кроме того, планеты не только транслируют, переизлучают энергию, но сами являются генераторами этой энергии, например Земля. Внутри планеты идет генерация собственной тепловой энергии, а это говорит о том, что Земля является генератором тепловых, гравитационных волн.
Каждый предмет, материальное тело является ретранслятором и аккумулятором тепловой, а значит и гравитационной энергии.
Энергия одного кванта фотона должна равняться одному кванту гравитации – одному гравитону.
ep=eg (1.7)
О проекте
О подписке