Почему электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью c, и как эту константу можно вывести и измерить на базе уравнений Максвелла и экспериментальных методов
Коротко и по существу. Почему так: в вакууме изменение электрического поля порождает магнитное поле и наоборот (последние два уравнения Максвелла), поэтому местная возмущённость самоподдерживающе распространяется как волна. Математически это вытекает из уравнений Максвелла в вакууме (нет зарядов и токов): ∇⋅E=0,∇⋅B=0,
\nabla\cdot\mathbf{E}=0,\qquad \nabla\cdot\mathbf{B}=0, ∇⋅E=0,∇⋅B=0,∇×E=−∂B∂t,∇×B=μ0ε0∂E∂t.
\nabla\times\mathbf{E}=-\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t},\qquad \nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}. ∇×E=−∂t∂B,∇×B=μ0ε0∂t∂E. Взяв ротор от первого роторного уравнения и использовав тождество ∇×(∇×E)=∇(∇⋅E)−∇2E\nabla\times(\nabla\times\mathbf{E})=\nabla(\nabla\cdot\mathbf{E})-\nabla^2\mathbf{E}∇×(∇×E)=∇(∇⋅E)−∇2E
и ∇⋅E=0\nabla\cdot\mathbf{E}=0∇⋅E=0, получаем волновое уравнение для E\mathbf{E}E: ∇2E−μ0ε0∂2E∂t2=0.
\nabla^2\mathbf{E}-\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2}=0. ∇2E−μ0ε0∂t2∂2E=0. Аналогично для B\mathbf{B}B. Это уравнение описывает распространение волн со скоростью v=1μ0ε0.
v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}. v=μ0ε01. Поэтому электромагнитные волны в вакууме распространяются с этой скоростью; экспериментально она совпадает со скоростью света, что исторически подтвердило тождество света и электромагнитных волн. Как вывести и измерить численно: - вычисление из измерений постоянных: измеряют вакуумную электрическую постоянную ε0\varepsilon_0ε0 (через ёмкость параллельных пластин C=ε0A/dC=\varepsilon_0 A/dC=ε0A/d) и магнитную μ0\mu_0μ0 (через силу между параллельными токами F/L=μ0I1I2/(2πr)F/L=\mu_0 I_1I_2/(2\pi r)F/L=μ0I1I2/(2πr)), затем берут c=1μ0ε0.
c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}. c=μ0ε01.
- исторически: измерения отношения электромагнитных и электростатических единиц (Weber–Kohlrausch) дали значение, близкое к скорости света; позднее прямые измерения скорости света (методы Физо, Фуко, Майклсон — вращающееся зеркало, зубчатое колесо, интерферометр, затем лазерные и временные методы) уточнили значение. - современно: в системе СИ скорость света в вакууме фиксирована точно c=299 792 458 m/s,
c=299\,792\,458\ \mathrm{m/s}, c=299792458m/s,
а ε0\varepsilon_0ε0 и μ0\mu_0μ0 соотносятся через ε0=1/(μ0c2)\varepsilon_0=1/(\mu_0 c^2)ε0=1/(μ0c2). До пересмотра СИ 2019 г. значение μ0=4π×10−7 N/A2\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{N/A^2}μ0=4π×10−7N/A2 считалось точным; после — c\;cc определено точно, а μ0\mu_0μ0 измеряется. Кратко: из уравнений Максвелла следует волновое уравнение с параметром μ0ε0\mu_0\varepsilon_0μ0ε0, откуда скорость волн 1/μ0ε01/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}1/μ0ε0; численно её получают либо через измерения ε0,μ0\varepsilon_0,\mu_0ε0,μ0, либо прямыми экспериментальными методами времени/волнового числа.
Почему так: в вакууме изменение электрического поля порождает магнитное поле и наоборот (последние два уравнения Максвелла), поэтому местная возмущённость самоподдерживающе распространяется как волна. Математически это вытекает из уравнений Максвелла в вакууме (нет зарядов и токов):
∇⋅E=0,∇⋅B=0, \nabla\cdot\mathbf{E}=0,\qquad
\nabla\cdot\mathbf{B}=0,
∇⋅E=0,∇⋅B=0, ∇×E=−∂B∂t,∇×B=μ0ε0∂E∂t. \nabla\times\mathbf{E}=-\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t},\qquad
\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}.
∇×E=−∂t∂B ,∇×B=μ0 ε0 ∂t∂E .
Взяв ротор от первого роторного уравнения и использовав тождество
∇×(∇×E)=∇(∇⋅E)−∇2E\nabla\times(\nabla\times\mathbf{E})=\nabla(\nabla\cdot\mathbf{E})-\nabla^2\mathbf{E}∇×(∇×E)=∇(∇⋅E)−∇2E и ∇⋅E=0\nabla\cdot\mathbf{E}=0∇⋅E=0, получаем волновое уравнение для E\mathbf{E}E:
∇2E−μ0ε0∂2E∂t2=0. \nabla^2\mathbf{E}-\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2}=0.
∇2E−μ0 ε0 ∂t2∂2E =0.
Аналогично для B\mathbf{B}B. Это уравнение описывает распространение волн со скоростью
v=1μ0ε0. v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}.
v=μ0 ε0 1 .
Поэтому электромагнитные волны в вакууме распространяются с этой скоростью; экспериментально она совпадает со скоростью света, что исторически подтвердило тождество света и электромагнитных волн.
Как вывести и измерить численно:
- вычисление из измерений постоянных: измеряют вакуумную электрическую постоянную ε0\varepsilon_0ε0 (через ёмкость параллельных пластин C=ε0A/dC=\varepsilon_0 A/dC=ε0 A/d) и магнитную μ0\mu_0μ0 (через силу между параллельными токами F/L=μ0I1I2/(2πr)F/L=\mu_0 I_1I_2/(2\pi r)F/L=μ0 I1 I2 /(2πr)), затем берут
c=1μ0ε0. c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}.
c=μ0 ε0 1 . - исторически: измерения отношения электромагнитных и электростатических единиц (Weber–Kohlrausch) дали значение, близкое к скорости света; позднее прямые измерения скорости света (методы Физо, Фуко, Майклсон — вращающееся зеркало, зубчатое колесо, интерферометр, затем лазерные и временные методы) уточнили значение.
- современно: в системе СИ скорость света в вакууме фиксирована точно
c=299 792 458 m/s, c=299\,792\,458\ \mathrm{m/s},
c=299792458 m/s, а ε0\varepsilon_0ε0 и μ0\mu_0μ0 соотносятся через ε0=1/(μ0c2)\varepsilon_0=1/(\mu_0 c^2)ε0 =1/(μ0 c2). До пересмотра СИ 2019 г. значение μ0=4π×10−7 N/A2\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{N/A^2}μ0 =4π×10−7 N/A2 считалось точным; после — c\;cc определено точно, а μ0\mu_0μ0 измеряется.
Кратко: из уравнений Максвелла следует волновое уравнение с параметром μ0ε0\mu_0\varepsilon_0μ0 ε0 , откуда скорость волн 1/μ0ε01/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}1/μ0 ε0 ; численно её получают либо через измерения ε0,μ0\varepsilon_0,\mu_0ε0 ,μ0 , либо прямыми экспериментальными методами времени/волнового числа.