О псевдоволнах электромагнитного поля

Важнейшим следствием уравнений (1) является тот факт, что компоненты ЭМ поля, электрическая и магнитная напряженности, перемещаются в свободном пространстве в виде поперечных волн. С целью ответа на вопрос, как распространяются эти волны и что они переносят, обратимся к закону сохранения энергии, аналитическую формулировку которого можно получить при с овместном решении уравнений Максвелла (1) в виде так называемой теоремы Пойнтинга: . (2) Поскольку далее рассматривается распространение ЭМ волн в среде идеального диэлектрика ( . (3) Рассмотрим выполнение закона сохранения энергии для монохроматической ЭМ волны, полевые компоненты которой, согласно волновым решениям уравнений Максвелла [1], распространяются, например, вдоль оси x в пространстве без потерь синфазно: и ( 4 ) В итоге , так как, по определению, это объемная плотность потока векторного поля в данной точке, а потому для бегущей волны в пространстве без потерь усредненный по времени поток ее энергии через замкнутую поверхность очевидно равен нулю . Итак, уравнения Максвелла описывают необычные, весьма странные волны, которые логично назвать псевдоволнами, поскольку, с одной стороны, синфазные волны не способны в принципе переносить ЭМ энергию, а с другой - перенос энергии реально наблюдается, более того это физическое явление широко и всесторонне используется практически, определяя многие аспекты жизни современного общества . Итак, имеем парадокс, существующий уже более века.

Поражает здесь то, что общепринятая логика анализа переноса энергии ЭМ волнами такова, что проблемы как бы и нет: всем все понятно.

Например, из соотношения для амплитуд в волновых решениях уравнений (1) формально следует, что для ЭМ энергии Для большей убедительности нашей аргументации напомним основные представления о переносе энергии посредством волнового процесса, например, рассмотрим распространение волн от брошенного в воду камня.

Частицы воды массой m, поднятые на гребне волны на высоту h, имеют запас потенциальной энергии законом сохранения энергии потенциальная энергия частиц воды переходит в кинетическую энергию их движения синфазных волновых компонент ЭМ поля, описываемых уравнениями Максвелла (1), это невозможно в принципе.

Однако последовательный критический анализ именно уравнений электродинамики Максвелла [3] выявил систему дифференциальных уравнений в виде соотношений первичной функциональной взаимосвязи ЭМ поля с компонентами электрической и магнитной напряженности и поля ЭМ векторного потенциала с электрической компонентами: ( a ) , ( b ) , (5) ( c ) ( d ) Объективность существования указанного четырехкомпонентного вихревого поля, которое физически логично назвать реальным электромагнитным полем , иллюстрируется целым рядом нетривиальных следствий из соотношений (5), поскольку математические операции над ними позволили получить три новые системы электродинамических уравнений [3], структурно аналогичных системе уравнений (1), но уже для поля ЭМ векторного потенциала с электрической и магнитной компонентами, электрического поля с компонентами и , наконец, для магнитного поля с компонентами и . Подробный анализ условий распространения компонент реального ЭМ поля в виде волн представлен в работе [4], там это поле условно названо «единое электродинамическое поле». Установлено, что в среде без потерь компоненты волны вектор-потенциала совершают синфазные колебания, а у электрической и магнитной волн полевые компоненты сдвинуты между собой по фазе на В этой связи рассмотрим энергетические аспекты волнового распространения составляющих реального ЭМ поля , а потому приведем следующие из анализа новых систем уравнений соотношения баланса [3]: для потока электрической энергии , ( 6 ) для потока магнитной энергии ( 7 ) и, судя по размерности, для потока момента ЭМ импульса . (8) Используя представленные соотношения баланса, проведем сначала анализ энергетики перемещения в пространстве волн электрического поля на основе закона сохранения электрической энергии, соотношение баланса (6) которого запишется для среды идеального диэлектрика ( . (9) Согласно волновым решениям уравнений электрического поля [4], полевые компоненты монохроматической поперечной электрической волны имеют сдвиг фазы на и . (10) Как видим, такой результат вполне удовлетворяет закону сохранения энергии, поскольку усреднение по времени соотношения (10) дает (1 1 ) а потому электрическая волна действительно переносит в пространстве чисто электрическую энергию: Соответственно, для магнитного поля, распространяющегося в однородной среде без потерь, согласно (7), закон сохранения магнитной энергии запишется в виде соотношения: . (1 2 ) Здесь полевые компоненты магнитной волны также имеют сдвиг фазы колебаний на и (1 3 ) Итак, в случае магнитного поля снова приходим к физически здравому результату, удовлетворяющему закону сохранения энергии, когда магнитной волной в среде переносится чисто магнитная энергия: Справедливости ради уместно сказать, что впервые о реальности магнитной поперечной волны с двумя ее компонентами и , сдвинутыми при распространении по фазе на , почти 30 лет назад официально в виде приоритета на открытие заявил Докторович [5], и этот факт он безуспешно пытается донести до других все эти долгие годы.

Печально, но только Время – высший судья, и именно оно расставит всех по своим местам! Таким образом, реализация собственно волн ЭМ поля и ЭМ векторного потенциала, удовлетворяющих обычному физическому механизму волнового процесса, принципиально невозможна, хотя сами эти поля, как показано выше, существуют и распространяются опосредованно в виде псевдоволн, поскольку их синфазные компоненты являются составной частью компонент электрической и магнитной волн , распространяющихся обычным образом. Тем самым все составляющие реального электромагнитного поля объективно перемещаются в пространстве совместно посредством единого волнового процесса. К сожалению, в настоящее время существующими методами регистрации электродинамических полей реально наблюдают только псевдоволны “обычного” ЭМ поля. И хотя конкретное наблюдение волн остальных обсуждаемых здесь полей – дело будущего, объективность их существования и неоспоримая практическая значимость достоверно подтверждается принципиальной невозможностью без их посредства реализации ряда физических характеристик и свойств ЭМ поля, в частности, его способности переноса ЭМ энергии.