Что такое электромагнитное излучение?
Климат определяется в первую очередь электромагнитным излучением (ЭМИ) Солнца. Изменение климата, по-видимому, происходит в первую очередь, когда большее или меньшее количество солнечной энергии, чем обычно, поглощается или отражается атмосферой Земли, изменяя количество энергии, достигающей поверхности Земли. Что физически представляет собой ЭМИ и как оно поглощается и отражается? Давайте использовать слово «свет» как сокращение для гораздо более широкого спектра ЭМИ, потому что у всех нас есть хорошая физическая интуиция в отношении света. Яркость или количество более интуитивно понятны, чем спектральная яркость. Физика должна быть похожей, даже если энергия варьируется от менее 0,001 эВ для дальнего инфракрасного диапазона до 2 или 3 эВ для видимого света и до более 100 эВ для крайнего ультрафиолета. Видимый и ближний ультрафиолетовый свет играют основную роль в нагреве Земли.
В любой точке пространства, в газе, таком как воздух, в жидкости или в полупрозрачном твердом теле свет состоит из спектра частот (цветов), где каждая частота может рассматриваться как имеющая спектральную величину (яркость). Этот спектр проходит по кратчайшему расстоянию между источником и приемником, по прямой линии, которую мы считаем лучом. Например, когда мы смотрим на красочную осеннюю листву, каждая молекула или клетка всего, что мы видим, поглощает большую часть солнечного излучения и нагревается, как кастрюля на плите. Но молекулы или клетки, отвечающие за цвет, вынуждены резонировать, излучая очень узкий спектр частот, свой цвет. Это излучение имеет яркость, определяемую яркостью света, освещающего вещество.Яркость падает до нуля, когда количество входящего света становится равным нулю, в результате чего молекула больше не излучает видимые частоты, достаточно яркие, чтобы видеть, хотя молекула продолжает излучать инфракрасные частоты в зависимости от температуры вещества, частью которого она является. Излучение от каждой молекулы, полученное нашими глазами, фотопленкой или КМОП-датчиком цифровой камеры, например, вызывает фотохимическую реакцию, и степень этой реакции определяется спектральной величиной (яркостью), получаемой на этой конкретной частоте. Наше поле зрения состоит из такого количества этих «лучей», что мы можем различать тонкости цвета с очень высоким разрешением, но эти световые лучи не мешают друг другу, пока не взаимодействуют с материей. Мы принимаем все это как должное, но это похоже на «жуткое взаимодействие на расстоянии», описание Эйнштейном квантовой запутанности. Энергия колебаний в одной части материи влияет на энергию колебаний в другой части материи на сколь угодно большом расстоянии, разделенном газом, например воздухом, или космическим вакуумом. Эта простая «запутанность» является физическим свойством электромагнитного поля. Квантовая запутанность, даже при скоростях, намного превышающих скорость света, приобрела гораздо более сложные математические свойства, которые активно обсуждаются в различных интерпретациях, распространенных в квантовой механике.
Свет освещает материю, но сам свет не виден, он темен, пока не взаимодействует с материей. Учитывая, что Земля получает менее 5 x 10 -8 % солнечной радиации, в космосе должно быть много темной энергии, которая изменяется во времени только в том случае, если скорость преобразования массы в энергию в звездах и других местах изменяется локально при взаимодействии с материи, например, в тени за планетой.
Широкое распространение темной энергии предполагает, что среда, в которой распространяется свет, есть сам свет, т.е.повсюду находится электромагнитное поле, которое пронизывает пространство, атмосферу и материю в трех измерениях. Физические свойства этого поля меняются во времени, если меняются источники энергии. Спектральная величина уменьшается пропорционально единице на квадрат расстояния от источника. Энергия в форме частоты колебаний излучается наружу из материи, путешествуя через это поле по тому, что считается прямой линией от источника к приемнику, хотя световые лучи могут очень немного искривляться под действием гравитации, что в настоящее время рассматривается как искажение в пространство-время (Эйнштейн, 1905), и тем сильнее, что они взаимодействуют непосредственно с материей. Энергия либо извлекается из этого поля материей, либо присутствие материи изменяет локальные физические свойства этого энергетического поля.
Постулат Планка (E=hν) гласит, что свет — это просто энергия в форме частоты (количество циклов в секунду), существование которой, по-видимому, зависит от постоянного взаимодействия между электрическим и магнитным полями, предполагая, что то, о чем мы думаем как о скорости света должно быть связано со скоростью, с которой электрическое поле может индуцировать магнитное поле, которое, в свою очередь, может индуцировать электрическое поле, и так до бесконечности. В космосе не существует известной среды (светоносного эфира) и нет физических наблюдений, показывающих, что свет в космосе является либо волной, либо частицей, что он имеет длину волны или массу, потому что не может быть никакого наблюдения, пока свет не взаимодействует с веществом.
Свет может распространяться на межгалактические расстояния без изменения частоты (за исключением эффекта Доплера) и, следовательно, без потери энергии, даже если свет расходится так, что количество света, яркость, обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра источника к приемнику. Таким образом, для света в космосе энергия, содержащаяся в свете, и количество света (яркость) являются отдельными переменными, которые обычно перемножаются для определения спектральной яркости.Это явно отличается от энергии, содержащейся в волнах внутри материи, где энергия волны работает против связей, скрепляющих материю, так что энергия в данном месте пропорциональна квадрату амплитуды волны в этом месте. Свет не распространяется в пространстве точно так же, как волны распространяются в материи, хотя наблюдается, что свет взаимодействует с материей волнообразным образом. Представление о свете в космосе как о физическом свойстве длины волны может ввести в заблуждение.
Таким образом, свет можно было бы наиболее точно описать как тройственность поле-частица-волна или тройственность вакуум-газ-твердое тело, чтобы подчеркнуть, что физические свойства света различны в пространстве, в атмосферах и в материи. В космическом вакууме свет представляет собой энергетическое поле, распространяющееся в трех измерениях и влияющее на поведение материи в присутствии поля. Частоты света не меняются на галактических расстояниях, за исключением случаев движения между источником и приемником, но спектральная величина обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и приемником. Свет от одного источника не мешает свету от другого источника, кроме как в присутствии материи.
Свет распространяется аналогичным образом через газ, такой как воздух, за исключением того, что некоторые молекулы газа поглощают определенные частоты света подобно частицам. Каждая степень свободы движения между атомными компонентами молекулы газа и внутри них резонирует на своих собственных гармонических частотах, извлекая спектральную величину на этих частотах из светового поля, добавляя энергию к внутренней энергии молекулы. Поглощаемая энергия проходит вдоль очень узких спектральных линий (Rothman et al., 2013), что подразумевает высокодобротный классический симпатический резонанс, возможно, аналогичный наблюдаемому, когда незатухающие струны фортепиано резонируют с определенными частотами звука в комнате. Спектральные составляющие поглощенной энергии определяются физическими свойствами молекулы.Энергия, поглощаемая посредством вращательных и колебательных переходов, распределяется между окружающими атомами/молекулами посредством столкновений. Энергия, поглощаемая электронными переходами, обычно заставляет то, что мы считаем электроном, резонировать на более высокой частоте (энергии), подобно обертонам на вибрирующей струне, и эта энергия может повторно излучаться, как правило, посредством флуоресценции, когда атом/молекула возвращается в основное состояние. часто инициируется столкновением. Когда эти более высокие энергетические состояния достаточно энергичны, они могут вызвать диссоциацию и даже ионизацию, разрушая молекулу.
Детальный характер спектра энергии, поглощаемой молекулой газа из электромагнитного поля, того, что мы называем фотоном, определяется физическими характеристиками приемника, а не физическими характеристиками источника поля. Поэтому говорить о фотонах, распространяющихся от источника, не имеет физического смысла. Энергия извлекается из поля через резонанс.
Чистую энергию, переданную от поля молекуле газа, можно рассматривать как спектральную величину для каждой частоты, умноженную на планковское E=hν (Planck, 1901), интегрированное по всем частотам, или, для простоты, как квант света Эйнштейна (Einstein, 1905), или Фотон Льюиса (Lewis, 1926). Но детальный характер этого спектра энергии определяется физическими характеристиками приемника, а не физическими характеристиками источника. Поэтому говорить о фотонах, распространяющихся от источника, не имеет физического смысла. Фотон — очень полезная математическая концепция, занимающая центральное место в квантовой механике, которая является сокращением для сложного распределения частот (энергий и количеств), передаваемых от электромагнитного поля к материи.
Атомы и молекулы, составляющие газ, можно представить себе как радиоантенны, настроенные на очень определенные частоты. Каждый из них имеет разную ориентацию, поэтому каждый из них немного по-разному реагирует на окружающее электромагнитное поле.Если бы мы знали все подробности о состоянии каждой молекулы и атома и о состоянии поля, мы могли бы определить, какие молекулы, когда и как будут взаимодействовать с полем. Но это непрактично, учитывая очень большое количество задействованных атомов/молекул, что приводит к статистической природе квантовой механики.
Когда свет взаимодействует с материей, определяемой как совокупность атомов и молекул, связанных силами притяжения, он может отражаться, преломляться, дифрагировать, поляризоваться, рассеиваться, фокусироваться и/или ослабляться, потому что энергия света работает против связей, скрепляющих материю. . Колебания света при взаимодействии с веществом вызывают волны в веществе, свойства которых определяются природой вещества, например, показателем преломления, понимаемым как отношение скорости света в пространстве к скорости света в веществе. Свет ослабевает в материи, показывая, что энергия и количество теперь перемешаны. Свет в космосе и обычно в воздухе может быть разделен веществом в эксперименте с двумя щелями (Янг, 1802 г.), где ширина и расстояние между щелями малы, что приводит к интерференции двух лучей, но лучи от разных источников света не интерферируют. взаимодействуют до тех пор, пока они оба не столкнутся с одним и тем же куском материи.
Звук, с другой стороны, распространяется в воздухе в виде волн сжатия со спектром частот, излучаемых колебаниями в источнике, которые вызывают резонирование волосковых клеток в улитке внутреннего уха. Частоты звука не меняются с расстоянием и направлением, за исключением эффектов Доплера, но спектральные величины от разных источников объединяются в воздухе и затухают по мере распространения фронта волны и поглощения энергии воздухом, особенно на высоких частотах.
Энергетические поля могут быть такими большими, как вселенная, или такими маленькими, как электрон, или поля, удерживающие части атомов вместе. Диаметр атома водорода в 145 000 раз больше диаметра его ядра.Подавляющее большинство любого атома представляет собой энергетическое поле, которое мы описываем в терминах электронов и которое, как предположил де Бройль (1929), состоит из «стационарных» волн, чтобы включить «концепцию периодичности» (частоты). Можно утверждать, что все состоит из комбинаций полей и мельчайших компонентов материи, и что время (изменение) стало возможным благодаря преобразованию энергии в материю и превращению материи в энергию.
Ученые-естествоиспытатели со времен Древней Греции спорят о том, распространяется ли энергия, содержащаяся в электромагнитном излучении (свете), в виде волн или частиц. К 1900 году большинство физиков считали, что излучение распространяется в виде волн в соответствии с уравнениями Максвелла (Maxwell, 1873), что продемонстрировал знаменитый эксперимент Юнга с двумя щелями (Young, 1802), но они не могли решить, в каком типе вещества распространяются эти волны. квантование энергии (E=hν) и квант света Эйнштейна привели к развитию квантовой электродинамики (КЭД), основанной на корпускулярно-волновом дуализме электромагнитного излучения, испускаемого ансамблем гармонических осцилляторов. КЭД, пожалуй, самая успешная математическая теория в физике с точки зрения объяснения и предсказания наблюдений, но она недетерминистична и приводит ко многим концепциям, не имеющим физического смысла, что преследовало Планка и Эйнштейна до конца их жизни.
Свет в космосе не имеет физических свойств длины волны или массы. Признание того, что электромагнитное излучение — это просто спектр частот (энергий), который вызывает корпускулярное поведение в атомах/молекулах газа и волнообразное поведение в материи, вероятно, сделает КЭД более детерминистской, даст нам больше физического понимания многих ее выводов. , и приблизит нас к пониманию Природы.
