¿Por qué las ondas electromagnéticas no necesitan vacío para moverse? [duplicar]

Para responder a la pregunta del título: es simplemente un hecho experimental que las ondas EM no necesitan un medio material (hecho de átomos que se empujan entre sí) para propagarse. Son simplemente diferentes de las ondas que son perturbaciones elásticas en conjuntos de átomos. Innumerables experimentos demuestran la transferencia de energía, momento y momento angular a través del vacío mediante ondas electromagnéticas.

Si esto parece un poco extraño, es posible que esté confundiendo las nociones de espacio vacío y "nada" en algún nivel, y puede obtener cierta satisfacción al saber que la física moderna piensa en el vacío como algo material. El espacio está hecho de campos cuánticos, y "espacio vacío" es simplemente una abreviatura de una región en la que esos campos cuánticos constituyentes están todos en su estado fundamental. En este sentido, el vacío también es en gran medida un medio, aunque invariante de Lorentz, porque aquí la ecuación de onda se transforma de una manera invariante de Lorentz. Esto contrasta con las ondas elásticas en un medio material, donde hay un marco "privilegiado", es decirque en reposo con respecto al medio en el que se mueven, y la ecuación de onda toma una forma diferente para los observadores en diferentes estados de movimiento con respecto al medio.

Para responder qué es lo que vibra: así como el estado del medio material (esfuerzo local, deformación y otras cantidades medibles) es algo que vibra en la propagación de una onda elástica, también lo es el estado del vacío que vibra: influencias medibles en las cargas de prueba anuncian el estado oscilante de la onda que pasa. De hecho, la presencia de una onda electromagnética muestra que el campo cuántico EM no está en su estado fundamental en la región de influencia de la onda y, por lo tanto, estrictamente hablando, el espacio influenciado por la onda EM no es un vacío perfecto, porque está en un estado excitado por la abolladura de la presencia de la ola.

Entiendo que las ondas electromagnéticas son causadas por la oscilación de campos eléctricos y magnéticos. ¿Pero cómo? ¿Hay campos magnéticos y eléctricos en el aire o en el vacío? ¿Cómo esta oscilación forma una onda? Lo siento, soy nuevo en este sitio, simplemente escriba su respuesta para que pueda entender.

Esta es una pregunta muy antigua, y se volvió más difícil de descifrar cuando se supo que entre la Tierra y la Luna, por ejemplo, había un vacío, por lo que ya no teníamos ninguna muleta/excusa en la que apoyarnos, como la atmósfera, para explicar de alguna manera la propagación de la luz reflejada del Sol desde la Luna hasta la Tierra. O directamente del Sol a la Tierra.

Podrías ver esto de dos maneras. Se podría decir que la luz reflejada de la Luna está compuesta de fotones, partículas de luz que, para decirlo crudamente, no necesitan un medio para viajar más de lo que la Tierra necesita un medio para viajar alrededor del Sol. El Sol dispara fotones como balas, rebotan en la Luna y entran en nuestro ojo.

Otra forma más sutil e interesante de ver el proceso es tomar las ecuaciones de Maxwell descritas en la otra respuesta, que trata la luz como una onda formada por un campo eléctrico y un campo magnético, que varían en el espacio y el tiempo. pero de tal manera que se crean/mantienen entre sí a medida que la onda de luz se propaga a través del vacío.

Incluso Maxwell estaba convencido de que se necesitaba algún medio para transportar esta onda de luz, diciendo en la Enciclopedia Británica alrededor de 1860 que, en efecto, podíamos estar seguros de que ese medio (el éter) estaba disponible para transportar la onda.

Hoy en día, el éter se ve como una solución inexistente, un intento (más que) un poco desesperado de explicar algo que ya estaba explicado en las propias ecuaciones de Maxwell.

Usted pide una respuesta directa, por lo que no incluiré las ecuaciones, solo un dibujo estándar de una onda electromagnética.

Fuente de la imagen: Hiperfísica

Lo que debes tener en cuenta es que este es un dibujo que ilustra, no la realidad como verías en una ola de agua cuando arrojas una piedra en un lago, sino un dibujo diseñado para ilustrar matemáticas abstractas. Es engañoso si lo considera como una onda convencional, pero posiblemente sea más comprensible como una analogía, en lugar de pedirle que siga las ecuaciones.

Tres ejemplos relacionados para pensar. La carga de un electrón se puede sentir sin necesidad de que algo "transporte" la carga, de la misma manera que dos imanes se atraen entre sí en el vacío, también la fuerza del campo gravitatorio de la Tierra mantiene a la Luna en órbita, incluso a través de ella. No es nada llevar esta fuerza.

Voy a suponer que puede dar esto por sentado, pero a su manera son variaciones de la pregunta que está haciendo aquí.

El objetivo del dibujo anterior es tratar de ilustrar que a medida que los campos eléctricos y magnéticos que componen la onda viajan a través del espacio, mantienen la forma de la onda, ya que un campo eléctrico cambiante induce un campo magnético y viceversa. (Lo cual se enfatiza en las ecuaciones de Maxwells). Si miras el dibujo, puedes ver cómo funciona esto para una onda de luz.

Si tienes un campo eléctrico${\vec{E}}$, digamos, debido a una densidad de carga${\rho}$y el cuerpo cargado está en movimiento entonces de la ecuación de Maxwell

$$\vec\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+{\mu_0}{\partial\vec{D}\over{\partial t}}$$ es decir, el movimiento de las cargas produce inmediatamente un campo magnético $\vec{B}$el cual, el campo magnético, a su vez produce un campo eléctrico dado por $$\vec\nabla\times\vec{E}=-{\partial\vec{B}\over{\partial t}}$$ Entonces, no necesita nada más que las ecuaciones de Maxwell para que su EM se propague; al decir que las ondas EM necesitan un vacío para propagarse, en realidad está insinuando que las ondas EM no necesitan un medio para propagarse porque el vacío en la física clásica significa ausencia de cualquier medio.

Existe el marco de la física clásica, donde las ecuaciones de Maxwell describen la propagación de perturbaciones eléctricas y magnéticas, como se describe en la respuesta de Sayontön Vöttacharjo.

La física actual ha llegado a la conclusión de que el nivel subyacente de la naturaleza es la mecánica cuántica. De este marco surgen comportamientos de la física clásica a gran escala, de manera similar a como surgen las ecuaciones termodinámicas de las subyacentes de la mecánica estadística.

Las ondas electromagnéticas están formadas por una enorme cantidad de fotones en superposición. Los fotones se describen mediante una función de onda compleja que obedece a una ecuación de Maxwell cuantificada. En las expresiones complejas los campos eléctrico y magnético están oscilando. Esto no es observable cuando se detecta un solo fotón, ya que un fotón solo tiene energía, masa cero y un giro en +1 o -1 en la dirección de su movimiento. El "ondeo" está en la probabilidad de detectar el fotón, que es el complejo conjugado al cuadrado de su función de onda. La superposición de un gran número de funciones de onda genera la onda clásica donde los campos eléctricos y magnéticos transportan la energía de la onda. (tenga en cuenta que la superposición es la adición de funciones de onda, no una interacción)

En este diagrama de cómo se construye un haz polarizado por la dirección de giro del fotón, puedes desarrollar una intuición del asunto.

Polarización circular izquierda y derecha , y sus momentos angulares asociados.

La flecha roja es la dirección del máximo del campo eléctrico (el magnético se puede considerar como perpendicular a él y a la dirección del movimiento, y dado)

La teoría del campo cuántico de cómo emerge un campo clásico del campo mecánico cuántico subyacente (como se describe en la respuesta de WetSavannaAnimal, también conocido como Rod Vance ) se puede ver en esta entrada de blog.

En un sentido muy real, la onda electromagnética clásica se desplaza sobre los fotones.