CC BY
27
р-К8К 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2016. № 4 е-КБИ 2313-688Х. Каёю Еко^-опга, Сошриег 8ыепое, СоПго1. 2016. № 4
РАД1ОФ1ЗИКА РАДИОФИЗИКА
_КАРЮРНУЭТСЭ_
УДК 534 (07)
Грохольский Я. М.1, Сусь Б. А.2, Сусь Б. Б.3
1Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри автоматичних систем управлння, Вiйськовий iнститут телекомункац/й та
iнформатизацii', Кшв, Украна
2Д-р пед. наук, професор кафедри фiзики, Вйськовий нститут телекомушкацШ та шформатизацн, Кшв, Украна 3Канд. фiз.-мат. наук, викладач кафедри нанофiзики конденсованих систем КиТвського национального ушверситету
iменi Тараса Шевченка, Ки'(в, Украна
РАД1ОХВИЛ1 ЯК ПОТ1К ЧАСТИНОК, ЩО ПЕРЕБУВАЮТЬ У КОЛИВАЛЬНОМУ СТАН1
До електромагштних хвиль вщносяться радюхвил1, свило, рентгешвське 1 гаммавипромшювання. Однак традицшно як в науковш, так 1 в навчальнш лиератур1 електромагштш хвил1 розглядаються з р1зних позицш. Радюхвил1 завжди розглядаються як хвил1, тод1 як свило представляеться як електромагштш хвил1 1 як потж частинок. Свило, будучи електромагштними хвилями, що безсумшвно шдтверджуеться експериментально таким хвильовим явищем як штерференщя, в той же час трактуеться як потж частинок, яга мають назву фотошв. Оскшьки радюхвил1, як 1 свило, е електромагштними хвилями, то постае питання трактувати 1х також з точки зору корпускулярного шдходу. Показано, що радюхвил1 як частина д1апазону електромагштних хвиль також мають двоюту корпускулярно-хвильову природу - це 1 хвил1 1 частинки водночас. Окрем1 частинки радюхвиль перебувають в коливальному сташ, при якому вщбуваеться перехщ електромагштно! енерги частинки в масу 1 навпаки.
Ключовi слова: радюхвиль електромагштш хвил1, корпускулярно-хвильова природа, коливальний стан, потж частинок, енерпя.
НОМЕНКЛАТУРА
Е - напружешсть електричного поля; Н - напружешсть магниного поля; и - швидюсть поширення хвилц ^ 1 = V 2 - початков! фази коливань електричного [ магниного пол1в;
П - густина потоку енергл;
А Ж - змша енергл електромагштно! хвилц
т - змша динам1чно! маси електромагштно! хвкт.
ВСТУП
До електромагштних хвиль вщносяться радюхвил1, свило, рентгешвське [ гаммавипром1нювання. Однак традицшно як в науковш, так [ в навчальнш лиератур1 електромагштш хвит розглядаються з р1зних позицш. Так, ра-дюхвит завжди розглядаються як хвит, тода як свило представляеться як електромагштш хвит [ як потж частинок -фотошв. Ми звикли, що хвит розповсюджуються в яко-мусь середовищ1. Наприклад, хвкт спостершаються як коливання води, а звук поширюеться як коливання по-виря. I ми знаемо, що т в вод1, т в повир1 при поши-ренш хвиль нема якихось особливих «хвильових» частинок, а е коливання середовища. Але свило, будучи електромагштними хвилями, що безсумшвно шдтверджуеться експериментально таким хвильовим явищем як штерференщя, в той же час трактуеться як потж частинок, яю мають назву фотошв. Те, що свило е потоком частинок незаперечно шдтверджуеться експе-
© Грохольский Я. М., Сусь Б. А., Сусь Б. Б., 2016 БОТ 10.15588/1607-3274-2016-4-1
риментально явищем фотоефекту, ефектом Комптона, дослщом Боте. Оскшьки радюхвит, як [ свило, е електромагштними хвилями, то постае питання трактувати !х також з точки зору корпускулярного шдходу.
1 ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ
Проблема в тому, що при традицшних шдходах до розумшня природи електромагштних хвиль виникае ряд суперечностей, яю не мають пояснення протягом сотш роюв. Дшсно, якщо радюхвит е тшьки хвилями, а не потоком якихось частинок, то невщомо що коливаеться при поширенш радюхвиль. Яке середовище коливаеться? А коли розглядати свило як потж частинок (що незаперечно), то невщомо де тут хвильовий процес? Що коливаеться? Разом з тим [ радюхвит [ свило мають одну ф1зичну природу - вони е електромагштними хвилями. Отже, юнуе проблема встановлення причини суперечностей, яю виникають при трактуванш електромагштних хвиль з р1зною довжиною хвит, включаючи радюхвит [ свило.
2 ОГЛЯД Л1ТЕРАТУРИ
Прикладом суперечностей в поясненш природи електромагштних хвиль може бути досить нове видання шюльного шдручника [1], де св1тло розглядаеться «як потж фотошв, а фотони як кванти електромагштного випром1нювання, що мають одночасно [ хвильов1 [ кор-пускулярш властивоста». Те, що св1тло, рентген1вське [ гаммавипром1нювання д1йсно мають дво!сту природу -
що це i хвилi i частинки водночас, добре вiдомо i е без-сумнiвним: «Свило е явищем складним: в одних випад-ках воно поводить себе як електромагнлна хвиля, а в шших - як потiк особливих частинок (фотошв)» [2]. Але щка-вим е те, що електромагниш хвкт iншого дiапазону -радюхвкт, в навчальнш i науковiй лiтературi розгляда-ються тiльки як хвильове явище. Таке роздiлення елект-ромагнiтних хвиль рiзного дiапазону довжин хвиль не мае фiзичного обгрунтування, бо !х фiзична природа однакова, про що дуже виразно сказано у вдамому на-вчальному посiбнику В.Д. Сивухша: «Зпдно з теорiею Максвелла свггло е частинним випадком електромагни-них хвиль. Вiд усiх iнших електромагштних хвиль свiтло вiдрiзняеться тiльки кшьюсно - довжиною хвилi» [3]. Оскшьки свiтло як частина дiапазону електромагштних хвиль мае дво!сту природу, то виникае проблема тракту-вання радюхвиль також з точки зору !х дво!стост - як хвильового процесу, так i корпускулярного. Погляд на явище з шшо! точки зору може вщкрити iншi можли-вост його бачення.
3 МЕТОДИ ДОСЛДЖЕННЯ I РЕЗУЛЬТАТЫ
Електромагнiтнi хвилi були вщкрил на основi дослщ-жень електромагштних явищ. Основу теорп електромагштних хвиль створено! Максвеллом, становлять теорема про циркулящю магштного поля, закон електромагни-но! шдукцл Фарадея, теорема Остроградського-Гаусса для електричного i магнiтного полiв [2]:
Hdl = J+J jds ,
) Edl = —
1
dt
J Bds
V s
J Bds = 0,
S
J Dds = q.
s
Розв'язок системи цих piBrarn приводить до виснов-ку про юнування електpомагнiтних хвиль - взаемно обу-мовлених коливань електричного Ey i магнiтного Hz полiв:
Ey = E0y cos (rat-kx+ у 1),
H z = H о z cos(ra t - kx + у 2 ).
На рис. 1 гpафiчно представлено коливання векгоpiв напруженостей Е i Н електромагштно! хвши.
V
Важливо зазначити, що коливання E i H вщбувають-ся з однаковою фазою, тобто у i = у 2. Справа в тому, що електричне i магнiтне поля мають енеpгiю. Але так як напруженост i в процеш коливань змiнюються, то змшюеться й енеpгiя електромагштно! хвилi. Густина потоку енергп
П = EH = EyHz = E о y cos(ra t - kx ) • H о z cos(ra t - kx )=
Рисунок 1 - Коливання напруженостей електричного (E) i магштного (H) пол1в в електромагштнш хвил1
= E0yH0z cos (rat-kx).
Як бачимо, потiк енергп змiнюеться в часi i в про-стоpi i ця змiна мае коливальний характер. Оскшьки гснуе закон збереження енергп, то постае питання: у що пере-творюеться енеpгiя електромагштно! хвилi, коли вона змiнюеться? Енеpгiя магнiтного поля переходити в енер-гiю електричного поля i навпаки, як це мае м^це в коли-вальному контуpi, не може. В коливальному контуpi мiж електричним полем в конденсатоpi i магнiтним полем в
котушщ iндуктивностi iснуе piзниця фаз Ду = П, що й
обумовлюе коливальний процес як перехщ енергп електричного поля в енерпю магнiтного поля i навпаки, тсед як у випадку електромагштно! хвкт електричне i магнiт-не поля разом зростають i разом зменшуються, бо коли-ваються в однаковiй фазi (У 1 = У 2). Отже електричне поле хвкт переходити в магнiтне поле i навпаки - не можуть. Тому постае питання: у що перетворюеться енер-гiя електромагштно! хвит в пpоцесi коливань? Щоб вщпо-вiсти на це питання, по^бно детальнiше з'ясувати, що ж таке електромагнина хвиля? Якого типу коливання в нш вiдбуваються ? Як вона поширюеться в пpостоpi?
Будемо виходити з того, що природа вмх електромаг-нiтних хвиль однакова i вона така ж, як i в свiтла, власти-вост якого вивчалися вченими дуже грунтовно. Гюйгенс бiльш нiж 300 роюв тому вважав, що середовищем для поширення свiтла е гшотетичний «ефip» i вiдповiдно до таких уявлень пояснював свiтловi явища. В той час взагалi хвилi уявлялися як коливання якогось середови-ща. Якщо кинути на воду камшець, то вiд мiсця збурен-ня бiжить хвиля як коливання води. Звук - це теж коливання повиря як середовища. 1ншого типу хвиль, шж коливання середовища, тодi не знали. Тому й св^ло уявлялося як коливання якогось гшотеичного середовища «ефipу». Вважати свiтло хвилями спонукало явище дифракцп як заходження свiтлових хвиль за перешкоду. При поширенш коливань в сеpедовищi дифpакцiя спpавдi е хвильовим явищем. Однак була й шша точка зору на природу свила. Так, Ньютон розглядав свило як потiк певних корпускул - частинок свпла. Корпускулярш погляди поряд з хвильовими уявленнями юнували трива-лий час, але коли у 1800 р. Юнгом було вщкрите явище штерференцп свiтла, яке як i дифpакцiя вважалося суто хвильовим явищем, то щея Гюйгенса, що свпло - це хвит, отримала пiдтвеpдження i запанувала надовго, до початку минулого стсшття, коли було вiдкpито явища фото-ефекту - вибивання свiтлом електрошв з металу, чим було шдтверджено, що свiтло - частинки. Виникла так звана проблема дуалiзму свила. Виходило, з одного боку, що свило - хвит, для поширення яких потpiбне середо-
p-ISSN 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2016. № 4 e-ISSN 2313-688X. Radio Electronics, Computer Science, Control. 2016. № 4
вище, а з шшого боку - що свило е потоком частинок, для поширення яких середовище не потр1бне. Зауважи-мо, що вже в самому такому представленш свила закла-дена суперечшсть, бо хвиля - явище просторове, а час-тинка локал1зована. Уявити як одночасно можна бути хвилею у простор1 i бути частинкою, локал1зованою в обмеженому об'емi - дуже проблематично. Ця проблема дво!стосп природи свiтла дшшла до нашого часу. Доречно навести думку Ейнштейна щодо проблеми дво!-стостi природи свiтла:
«Що таке свггло - хвиля чи ливень свилових корпускул?^ Схоже, що нема шяких шансiв послiдовно описа-ти свiтловi явища, вибравши тшьки яку-небудь одну з двох можливих теорiй. Стан такий, що ми повинш засто-совувати iнодi одну теорж>, а iнодi другу, а час вщ часу одну й другу. Ми зпкнулися з трудшстю нового типу. Маемо двi протилежш картини реальностi, але нi одна з теорш окремо не поясню е вшх свiтлових явищ, тодi як сутшсно вони !х пояснюють» [4].
Слщ пiдкреслити, що незважаючи на суперечшсть хвильового i корпускулярного шдждав, сумнiву в тому, що свило е i хвилею i частинками одночасно - нема. Свило дшсно мае дво!сту природу - це хвкт i частинки водночас, що встановлено експериментально. Безумов-но, що проблема дво!стост стосуеться також радюхвиль, якi також е електромагниними хвилями. Необхiдно тiльки з'ясувати причину юнуючих суперечностей. Детальний розгляд проблеми представлено в робот [5], де пока-зуеться, що свiтло як електромагнина хвиля е певною формою руху матери, коли один вид матери (речовина) перетворюеться в шший вид матери (поле). Приклади переходу матери з одного виду в шший добре вщомь Таке вщбуваеться при подт ядра урану тд час вибуху ядерно! бомби, коли частина маси ядра (речовина) переходить в енерпю гаммавипромiнювання (поле). Цей про-цес вiдбуваеться у вщповщност з вiдомим сшввщношен-
2 ■
ням W = c m, яке встановлюе зв язок мiж масою i енер-
пею. Вiдомий також зворотнiй перехiд - з поля в речовину, коли при зустрiчi двох Y -кванлв (поле) утворюються елек-трон i позитрон. Тому цiлком логiчно допустити, що переходи з одного виду матери в шший юнують не тшьки як окремi прояви природи, а можливi процеси неперерв-ного переходу матери з одного виду в шший як коливаль-на форма руху. I виявом тако! форми руху е свило та iншi електромагниш хвилi, в тому чи^ й радiохвилi.
Оскшьки в електромагнiтнiй хвилi мае м^це коливан-ня енергл i гснуе закон збереження енергл, то це означае, що енерпя, змiнюючись, повинна переходити в якийсь шший вид. Вщомо, що при коливанш маятника кшетич-на енергiя переходить в потенщальну, а потенцiальна - в кшетичну, що й визначае коливальний рух. В електро-магнiтнiй хвил^ включаючи свiтло i радiохвилi, також гснуе коливання енергл, що випливае з теорл Максвелла електромагнiтних хвиль. Однак теорiя Максвелла не дае (i не може дати) вщповвд на сакральне питання: у що перетворюеться енерпя електромагнино! хвилi, коли вона змiнюеться? Вiдповiдь закладена у фундаментальному
сшввщношенш W = c m, яке встановлюе зв'язок мiж масою i енергiею. Оскiльки в процесi коливань енерпя
змшюеться, то повинна змшюватися i енергiя: Д w = c 2Дm. Тому саме це сшвщношення обумовлюе безперервний перiодичний процес переходу енерги в масу i маси в енерпю:
Д W-Д т—Д W-Д т—... (1)
Це i е хвильовий процес. Однак необхiдно детальшше пояснити радiохвилю як явище просторове i природу !! дво!стоста. В цьому питаннi також iснуе повна аналопя радiохвилi зi свiтлом. Враховуючи дво!спсть природи, свiтло слiд розглядати не просто як потж частинок, а як потж особливих частинок, кожна з яких перебувае у ко-ливному станi типу (1) [5]. I такий потж вже являе собою хвилю, оскiльки вщбуваеться поширення коливань у про-сторь При такому пiдходi суперечнiсть у питанш дво!-стостi природи свила усуваеться, бо одночасно е частинки i е хвильовий процес. Можна провести аналопю мiж потоком частинок свила i зграею пташок у польотi, де кожна пташка (частинка) махае крилами (коливний процес) i перемiщуеться в простер (рис. 2).
Серед згра! можна видшити пташок, якi махають крилами в однаковш фазi - разом шдшмають i разом опус-кають. Такi пташки в простер утворюють хвильову по-верхню з певною фазою, iншi пташки утворюють хвильову поверхню з шшою фазою, що вiдповiдае усталеним уявленням про хвилi. Наочною моделлю хвиль iз частинок може бути також марш колони солдапв, де кожен солдат перюдично рухае ногами i таке перемiщення коливань у простер можна розглядати як хвильовий процес (рис. 3). Шдкреслимо, що для поширення хвиль iз частинок якесь середовище не по^бне.
> V ч-h-
V чл v
Л ' * ев '
«Ч V- Viv--* У *< V *
< * i|
г v V * *
• V V -
< V
* *
Рисунок 2 - Полiт птиць як модель хвильового процесу частинок, що перебувають у коливальному сташ
Рисунок 3 - Марш колони солдата як хвильовий процес
Таким же чином, як би то було незвично, електро-магнггну хвилю радiодiапазону також можна трактувати як потiк частинок, що коливаються з вiдповiдною частотою. Руху частинки, яка коливаеться i перемщуеться, вщповщае певна довжина хвилi. За аналопею до свiтла, частинки якого називаються фотонами, частинки хвиль радiодiапазону умовно можемо назвати «К-фотонами». Потрапляючи на провiдник (антену), «К-фотони» своïм електричним полем впливають на електрони i виклика-ють вiдповiдну електрорушiйну силу. А далi всi процеси пiдсилення електромагштних коливань розглядаються узвичаеним шляхом.
Таким чином, розглядаючи електромагнiтнi хвилi як потж частинок, що перебувають в коливальному сташ типу ДW-Am—AW—Am—..., приходимо до розумш-ня, що iснуе зовим iнша природа хвиль, нiж це уявляло-ся традицiйно як коливання певного середовища. I як би то було незвично, радюхвкт також треба розглядати як потж частинок, що коливаються. ВИСНОВКИ
Радiохвилi як частина дiапазону електромагнiтних хвиль мають двоïсту корпускулярно-хвильову природу -це хвилi i частинки водночас. Корпускулярно-хвильова природа визначаеться тим, що окремi частинки радюх-
виль перебувають в коливальному сташ, при якому вщбу-ваеться коливний процес переходу електричжй i магнгг-ноï енергiï частинки в масу i навпаки:
A W—Am—A W—Am—. Потiк частинок, що коливаються, утворюе просторо-ву хвилю з добре вщомими хвильовими властивостями. Насправдi йдеться про те, що юнуе двi принципово вiдмiннi природи хвиль - як коливання середовища i як потж частинок, яким властивий внутрiшнiй коливальний процес.
СПИСОК ЛГГЕРАТУРИ
1. Касьянов В. А. Физика. Учебник для общеобразовательных школ. 11 класс / В. А. Касьянов. - М. : «Дрофа». - 288 с.
2. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 2 / И. В. Савельев. - М. : Наука, 1978, § 104.
3. Сивухин В.Д. Общий курс физики, т. 3 / В. Д. Сивухин. -М. : Наука, 1977. - 704 p.
4. Эйнштейн А. Эволюция физики / А. Эйнштейн, Л. Инфельд. -М. : Наука. 1965. - 326 с. (Albert Einstein and Leopold Infeld. The evolution of physics. - New York : Simon and Schuster. 1954).
5. Sus' B. A. Unusual interpretation of й^йктаи problems in physics. The third scientific-methodological edition / B. A. Sus', B. B. Sus', O. B. Kravchenko. - Kyiv : PC «Prosvita», 2012. - 121 p.
Статп надшшла до редакци 05.09.2016.
Шелл доробки 22.09.2016.
Грохольский Я. М.1, Сусь Б. А.2, Сусь Б. Б.3
1Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматических систем управления, Военный институт телекомуникаиий и информатизации, Киев, Украина
2Д-р пед. наук, профессор кафедры физики, Военный институт телекомуникаций и информатизации, Киев, Украина
3Канд. физ.мат. наук, преподаватель кафедры нанофизики конденсированных систем Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, Украина
РАДИОВОЛНЫ КАК ПОТОК ЧАСТИЦ, КОТОРЫЕ НАХОДЯТСЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ СОСТОЯНИИ
К электромагнитным волнам относятся радиоволны, свет, рентгеновское и гаммаизлучения. Однако традиционно как в научной, так и в учебной литературе электромагнитные волны рассматриваются с разных позиций. Радиоволны всегда рассматриваются как волны, тогда как свет представляется как электромагнитные волны и как поток частиц. То, что свет является электромагнитными волнами, несомненно подтверждается экспериментально таким волновым явлением как интерференция, и в то же время трактуется как поток частиц, называемых фотонами. Поскольку радиоволны, как и свет, являются электромагнитными волнами, то возникает вопрос представлять их также с точки зрения корпускулярного подхода. Показано, что радиоволны как часть диапазона электромагнитних волн также имеют двойственную корпускулярно-волновую природу - это и волны и частицы одновременно. Отдельные частицы радиоволн находятся в колебательном состоянии, при котором происходит переход електромагнитной энергии частицы в массу и наоборот.
Ключевые слова: радиоволны, электромагнитни колебания, корпускулярно-волновая природа, энергия.
Grokholskyi Y. M.1, Sus' B. A.2, Sus' B. В.3
1PhD., Associate Professor, Automated Control Systems department, Military Institute of Telecommunications and Information. Kyiv, Ukraine
2PhD, Professor, Military Institute of Telecommunications and Information, Kyiv, Ukraine
3PhD, Assistant Professor, Taras Shevchenko National University of Kyiv, Ukraine
RADIO WAVES AS A STREAM OF PARTICLES IN VIBRATIONAL STATE
Electromagnetic waves are a radio, light, X-rays and gamma rays. However, traditionally electromagnetic waves considered in scientific and in academic literature in different positions. Radio waves are always considered as a waves, while light is represented as electromagnetic waves and as a stream of particles. Light as electromagnetic waves, which undoubtedly confirmed experimentally in such a phenomenon as wave interference, at the same time treated as a stream of particles, which are called photons. Since radio waves, like light, are electromagnetic waves, also the question arises to interpret them in terms of corpuscular approach. It is shown that the range of radio waves as electromagnetic waves also have dual wave-particle nature - this is the wave and a particle at the same time. Some particles of radio waves stay in the vibrational state with the transition of electromagnetic energy to particle mass and vice versa.
Keywords: radio waves, electromagnetic fluctuations of wave-particle nature, oscillational state, energy.
REERENCES
Kas'yanov V. A. Fizika. Uchebnik dlya obshheobrazovatel'nyx shkol. 11 klass. Moscow, Drofa, 288 p.
Savel'ev I. V. Kurs obshhej fiziki, t. 2. Moscow, Nauka, 1978, § 104.
Sivuxin V. D. Obshhij kurs fiziki, t. 3. Moscow, Nauka, 1977, 704 p.
E'jnshtejn A., Infel'd L. E'volyuciya fiziki. Moscow, Nauka, 1965, 326 p. (Albert Einstein and Leopold Infeld. The evolution of physics. New York, Simon and Schuster, 1954). Sus' B. A., Sus' B. B., Kravchenko O. B. Unusual interpretation of traditionai problems in physics. The third scientific-methodological edition. Kyiv, PC «Prosvita», 2012, 121 p.
