Волны в пустоте или мы совсем ничего не знаем

Понятие «волна» присутствует в физике повсеместно. Самая обычная волна на морской глади, волна на веревке, которую все мы делали развлечения ради, волна, распространяющаяся по поверхности чего-либо. Самый обычный звук, который мы слышим – это тоже волна.

Пока речь идёт про механическую волну всё просто и понятно. Классическая физика прекрасно объясняет это явление природы и может подтвердить все гипотезы экспериментально. Мы знаем, как распространяется такая волна и можем объяснить механизм этого явления.

Волной называется колебание некоторой упругой среды, по которой передается энергия без переноса самого вещества.

Про все теоретические аспекты существования волны в физике и описании сущности явления я рассказал в этом видео. Не будем останавливаться на этом здесь, а поговорим о противоречиях.

Тот самый пример с веревкой сейчас самый подходящий и простой. Есть среда, которая колеблется (в примере с веревкой – это сама веревка), есть затухающее колебание, распространяющееся по закону синуса по этой веревке и, собственно, наблюдается отсутствие передачи вещества в самой веревке при распространении волны (все частицы сохраняются на месте).

Если рассмотреть, например, звуковую волну, то тут тоже нет вопросов. Среда, представленная окружающей атмосферой, колеблется донося до нашей барабанной перепонки звуковую волну, а перепонка генерирует импульсы, обрабатываемые мозгом.

Теперь рассмотрим более сложный и менее очевидный пример. Возьмем радиоволну или электромагнитную волну. Пока мы находимся там, где есть некоторое пространство, состоящее из частичек и полей, мы можем продолжать использовать классическую модель. Но стоит нам полностью исключить среду из этого уравнения, получается, что волна распространяться не можем, т.к. колебаться нечему. Не выполняется условие существования самой волны.

Перенесемся в космос. Тут прекрасно распространяются и световая волн, и радиоволна. Космонавты видят светящиеся предметы и общаются по радиосвязи. Но если рассматривать это в классическом варианте, то получается, что бежала волна по поверхности моря. Потом она остановилась. Потом продолжила движение уже с новой точки, сохранив все прежние характеристики. Или же, если поставить две миски с водой, то волна из одной миски должна принимать колебания из другой. Пример весьма условный и наверняка будет активно критиковаться, но его абсурдность как раз-таки и определяет прекрасное его восприятие.

В случае с радиоволной мы имеем такой же парадокс. В вакууме, вроде как, нет никаких частиц и видов материи, способных осуществлять передачу волны. Иными словами, колебаться нечему!

Как же физика объясняет это интересное явление? Вариантов несколько. Говорить, что один правильный, а другой нет, я считаю, тут не совсем уместно. Все они имеют как защитников, так и противников среди уважаемых ученых.

Понятие «эфир» ввёл Тесла и понимал под ним некоторое пространство, которое способно передать электромагнитное колебание. Эфир есть особый вид материи. Важно отметить, что экспериментальные исследования и правда обнаружили, что вакуум не до конца пуст. Там есть сгруппированные частички с зарядом. Они-то и колеблются. Кстати говоря, именно эти мельчайшие частицы должны были быть найдены в исследованиях на коллайдере, но результат, увы, мне не известен. Рассуждения об эфире пошли на спад благодаря работам Эйнштейна.

Ученые всегда понимали, что нужно или как-то иначе описывать волну, или, всё-таки, искать некоторые подобия пространства в пустоте, способное переносить колебание. Следующий предложенный вариант – это физический вакуум, который перерос в итоге в квантовую теорию поля. В нем что-то есть, а вроде и ничего нет. Происходят нулевые колебания полей. Нечто типа кота Шредингера. Кот не жив и не мёртв :)…Вот также и здесь были предложены некоторые виртуальные частицы, которые и составляют вакуум. Насколько мне известно, именно она сейчас считается наиболее авторитетной.

Во времена Теслы существовала и ещё одна интересная теория, о которой осталось довольно мало информации. Предполагалось, что энергия может передаваться на расстояние без проводов, а передача эта осуществляется некоторыми лучами энергии, способными также быть средой для колебаний. Было предположение, что такой луч и мог бы стать основой для передачи волны в вакууме.

Все мы помним, что волны, например, световые волны, имеют природу как волны, так и частицы. Именно этими постулатами вооружились физики, пытаясь объяснить распространение электромагнитной волны в вакууме. Если есть частица, то что может помешать ей колебаться. Частички летят, им ничего не мешает, а сами они могут колебаться и быть волной. Если есть среда для колебаний, то есть и волна :)

Все рассмотренные теории, увы, не объясняют в полной мере процесс распространения волны в пустоте, а только обуславливают его. Соответственно, применять их можно в зависимости от ситуации.

Лично моё мнение, что всё-таки, исходя из логики подобия, волна в вакууме должна передаваться посредством материи. Должна быть некоторая среда. Что это за среда сказать сегодня сложно. Вероятнее всего, это нечто среднее между эфиром и квантовым полем.