Почему фотоны вообще движутся?

Почему фотоны удаляются от своего источника? - спрашивает Альтернативная наука.

На самом деле это вопрос затрагивает наиболее фундаментальные принципы современной физики.

Существует довольно прямой ответ, основанный на решении уравнения Максвелла в вакууме с добавлением некоторого квантового соуса. Но такой ответ не объяснит, что происходит на фундаментальном уровне.

А вся проблема в том, что Эйнштейн называл "жутким действием на расстоянии".

Здесь действие означает процесс, который вызывает изменение в системе. Следовательно, действие на расстоянии - это некий процесс, который вызывает изменение на некотором расстоянии.

И?

Принцип сохранения импульса требует, чтобы начальный и конечный импульсы системы оставались неизменными. Однако импульсы компонентов системы могут быть изменены.

Процесс - это перестановка моментов в системе, которая определяется как «сила».

Теперь у нас есть способ распаковать утверждение "действие на расстоянии". Речь идет о перестановке моментов системы на расстоянии под действием силы.

Звучит не так уж плохо. Однако как быстро может произойти перестройка?

Мы можем потребовать, чтобы взаимодействие было мгновенным или сколь угодно быстрым. До тех пор, пока сохраняется импульс, все должно быть хорошо.

Но проблема возникает, когда мы рассматриваем систему с точки зрения специальной теории относительности: в таком случае мы больше не можем определить "мгновенность" на любом расстоянии!

Возникает другой принцип - принцип локальности.

Действие может быть определено только как локальное взаимодействие. Действие на расстоянии нарушает принципы, характерные для СТО.

Принцип локальности - очень важная концепция в физике. Он яутверждает, что свет и, в частности, фотоны распространяются от источника. Однако он имеет гораздо более широкие последствия. Тот факт, что действия должны быть локальными, объясняет, почему все фундаментальные силы имеют связанные с ними частицы.

Частичное описание сил также позволяет построить хорошо известные диаграммы Фейнмана.

Тот факт, что в них участвуют частицы, означает, что каждая вершина взаимодействия соответствует локальному действию. Таким образом, диаграммы Фейнмана, столь распространенные в физике частиц, на самом деле говорят нам о том, что квантовая механика - это теория локального действия, а не действия на расстоянии.

Отсюда вытекает очевидное внутреннее противоречие квантовой механики. Известно, что квантовая теория является нелокальной теорией. Поэтомуя Эйнштейн говорил о "жутком действии на расстоянии".

Однако тот факт, что любое действие, описываемое квантовой механикой, может быть описано с помощью диаграмм Фейнмана, демонстрирует, что операционально она удовлетворяет принципу локальности.

А тот факт, что нелокальная по своей сути теория описывает только локальные взаимодействия, является одной из самых трудных для понимания вещей в квантовой теории.

Обсудив основы локального действия, давайте посмотрим, как этот принцип может быть применен к электромагнетизму.

Рассмотрим электрическое поле. Наличие электрополя означает, что поблизости есть свободные заряды. Эти заряды являются источником поля. Тем не менее, поле - это нелокальное явление, которое распространяется в пространстве вдали от зарядов.

Закон силы Лоренца говорит нам, что заряд в электрическом поле испытывает некую силу. Сила вызывает изменение. Она действует на расстоянии. В итоге, поля нелокальны.

Рассмотрим пробный заряд в поле, создаваемом удаленным распределением заряда.

Используя наш полевой механизм действия на расстоянии, мы должны воздействовать на пробный заряд через изменение распределения заряда на расстоянии.

Однако любое изменение в распределении удаленного заряда будет фактически представлять собой ток, который связан с магнитным полем.

Таким образом, изменение электрического поля связано с изменением магнитного поля. Мы можем решить уравнения Максвелла, чтобы найти математическое описание меняющихся полей. И мы обнаружим, что в пространстве между зарядами изменяющееся поле распространяется в сторону от изменения со скоростью света.

Казалось бы, наш идеальный эксперимент "Действие на расстоянии" реагирует только на некоторые изменения в распределении зарядов со скоростью света. Что непосредственно следует из уравнений Максвелла.

А также совместимо с принципом локальности, потому что некоторое локальное действие на распределение заряда приводит к действию на расстоянии только после задержки распространения.

Другими словами, хотя поле имеет нелокальное описание, оно все еще удовлетворяет принципу локальности действия.

Мы говорили то же самое о квантовой механике.

Фотон - это фундаментальный квант режима электромагнитного поля. Вся теория электромагнетизма может быть квантована.

Квантовая теория света по-прежнему удовлетворяет уравнениям Максвелла в классическом пределе.

Поэтому распространение света в сторону от некоторого локального действия воспроизводится как распространение фотонов в сторону от некоторого локального действия.

Поэтому тот факт, что свет распространяется в сторону от источника, на самом деле свидетельствует о принципе локальности, или о том, что физика не допускает действия на расстоянии.

Но фактически устанавливает скорость света как «предел скорости».