1. Постановка вопроса
Со школьной скамьи нам внушают: электромагнитная волна — поперечная. Векторы напряжённостей электрического поля E и магнитного поля B колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Этот факт считается окончательно установленным, а любое сомнение в нём — наивным. Однако строгий анализ наблюдаемых явлений и механики сплошных сред обнаруживает здесь глубокое и по сей день не разрешённое противоречие.
Суть противоречия проста. В механике хорошо известно: поперечная волна возникает на границе раздела сред и передаётся через неё. Однако её дальнее распространение с переносом энергии возможно лишь в твёрдом теле, обладающем ненулевым модулем сдвига G > 0. В газе и жидкости поперечное возбуждение затухает экспоненциально уже на расстоянии порядка длины волны. Физический вакуум — среда, в которой свободно перемещаются планеты и галактики, — твёрдым телом не является. Мировое пространство не имеет твёрдых границ раздела, доступных для создания поверхностных поперечных волн во всех направлениях распространения ЭМВ. Следовательно, плоская поперечная ЭМВ с дальним переносом энергии в вакууме невозможна в принципе. Между тем электромагнитное излучение уверенно распространяется на расстояния в миллиарды световых лет. Как это согласовать?
В основе анализа лежит фундаментальный физический принцип: энергия есть движение материи. На более глубоком уровне любая передача энергии от одного тела к другому есть передача движения через материальную среду, их связывающую. Не существует передачи энергии через абсолютную пустоту — это означало бы движение без того, что движется. Следовательно, распространение электромагнитной энергии на любые расстояния с необходимостью требует материального носителя — среды, заполняющей пространство. Вопрос о поперечности или продольности волны есть, по существу, вопрос о том, какие именно движения эта среда поддерживает.
2. О необходимости материального носителя взаимодействий
Рассмотрим, что физически означает передача энергии. Когда одно тело передаёт энергию другому, между ними всегда есть посредник: при ударе — соприкосновение тел, при звуке — воздух… Во всех наблюдаемых случаях энергия передаётся через материальную среду путём последовательного движения её частей. Утверждение о передаче энергии через абсолютную пустоту не имеет ни одного экспериментального подтверждения — оно вводится лишь как математическая абстракция там, где среда объявлена несуществующей. Но абстракция не может переносить реальную энергию: переносит её только движущаяся материя.
Изложенная позиция опирается на фундаментальный принцип: через пустоту не может передаваться никакое воздействие. Передача энергии через абсолютную пустоту противоречит принципу материализма, лежащему в основании физической науки. Если физика остаётся материалистичной, то всякое взаимодействие обязано иметь материальный носитель и подчиняться причинно-следственным связям. Это с необходимостью сводит все взаимодействия — на микроуровне и в области «тонких» полей — к механике сплошных сред. Задача физики состоит в том, чтобы определить этот носитель, исследовать его свойства и измерить его параметры.
Между тем в XX веке концепция мировой среды была вытеснена из научного оборота, а её место заняли абстрактные уравнения, за которыми не стоит наглядной физической картины. Как следствие, исследование среды-носителя оказалось вне основного финансируемого направления науки.
Показательно, что в последние десятилетия представление о «пустом» вакууме фактически пересмотрены: введены понятия тёмной энергии и тёмной материи, наполняющих пространство, в вакууме могут рождаются частицы и аннигилируют в него обратно. Однако установившаяся терминология избегает прямого отождествления этих сущностей с исторически известным понятием мировой среды.
Тождество структуры формулы скорости света c2 = 1/(ε0µ0) и формулы скорости звука в газе v2 = 1/(ρβ) возможно намекает на существование среды-переносчика с конкретными параметрами. Тем не менее в описании фундаментальных взаимодействий — между нуклонами, проводниками, космическими телами — вводятся всё новые сущности, но не рассматривается единая механическая картина мира. Без материального носителя физическое описание сводится к чисто математическому формализму, утрачивая наглядный механизм.
Необходимо также напомнить публике методологическое замечание об экспериментальной проверке теорий. Эксперимент не может однозначно подтвердить теорию: один и тот же результат опыта, как правило, совместим со многими теоретическими построениями, в том числе взаимно несовместимыми. Согласие эксперимента с теорией означает лишь отсутствие противоречия, но не доказывает единственность данной теории. Это общее положение философии науки (тезис Дюэма–Куайна о недоопределённости теории данными).
Наконец, разрыв в теоретических подходах между макромиром и микромиром на 120 порядков!, накопление парадоксов в принятой картине указывают на неполноту существующего описания. Речь идёт не об ошибочности уравнений Максвелла, а об их неполноте: они описывают наблюдаемую часть процесса — поля E и B — но не среду, в которой этот процесс протекает. На неполноту уравнений Максвелла указывал В. А. Ацюковский (автор нескольких ГОСТов в области бортового электронного оборудования) в работах [1, 2].
3. Исторический путь к «поперечности»
История вопроса поучительна. До начала XIX века господствовало представление о световых волнах как продольных в эфире — по аналогии со звуком. Ньютон, Гюйгенс, Гук считали свет продольными импульсами упругих звуковых колебаний.
Перелом наступил в 1816–1819 гг. Юнг, Френель и Араго, исследуя интерференцию поляризованного света, обнаружили: два пучка, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, не интерферируют. Такие опыты были признаны решающим доказательством поперечности световых волн, ибо при продольной волне направление колебания совпадает с направлением распространения, и понятие «перпендикулярной поляризации» лишено смысла.
Позднее Герц, исследуя распространение электромагнитных волн через линейные решётки, обнаружил зависимость пропускания от ориентации решётки относительно источника [6]. Этот опыт был воспринят как дополнительное подтверждение поперечности ЭМВ. Критический анализ интерпретации этого и других подобных опытов вынесен в отдельную работу (см. раздел 7).
Максвелл создал теорию электромагнитного поля и отождествил свет с электромагнитными волнами. Из уравнений Максвелла следовало, что в плоской бегущей волне векторы E и B перпендикулярны направлению распространения — вывод, воспринятый как подтверждение поперечности. С тех пор вопрос считался закрытым.
Однако закрыт ли он на самом деле?
Исходное представление о свете как продольных колебаниях среды — по аналогии со звуком — было физически естественным и опиралось на единственный известный механизм передачи волнового возмущения в сплошной среде. Отказ от него в пользу поперечной трактовки был продиктован не невозможностью объяснить наблюдения иначе, а удобством описания поляризации через перпендикулярные колебания. Как будет показано далее, наблюдаемые факты допускают истолкование, сохраняющее звуковую (продольную) природу волны в среде, а поперечные характеристики получают объяснение через взаимодействие волны с веществом и через структуру самой среды.
4. Что в действительности говорит механика сплошных сред
Рассмотрим сначала механический вопрос строго. В сплошной однородной среде могут распространяться два типа упругих волн:
— продольные (P-волны, волны сжатия): частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны; существуют в любой среде;
— поперечные (S-волны, волны сдвига): частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения; существуют только в твёрдом теле с ненулевым модулем сдвига G. Так же поперечные волны распространяются на границах сред: например волны на воде, струна музыкального инструмента передаёт колебание в воздух.
В газе или жидкости модуль сдвига равен нулю: G = 0. Перпендикулярный «толчок» молекулы передаётся следующей лишь через столкновение, доля поперечного импульса при каждом акте передачи мала, и энергия поперечного возбуждения затухает экспоненциально. Никакой устойчивой поперечной волны с дальним переносом энергии в газе или жидкости не существует.
Мировое же пространство не имеет границ, доступных для создания поверхностных волн по всем направлениям распространения ЭМВ.
Вывод строгий: если физический вакуум не является абсолютно твёрдым телом (а он не является, так как люди, планеты и всё остальное в нём спокойно перемещаются), плоская поперечная ЭМВ в нём как самостоятельная сущность невозможна. Наблюдаемые нами «поперечные» характеристики должны иметь иную физическую природу.
5. Математическая структура уравнений Максвелла: продольная основа
Обратимся к уравнениям Максвелла не в привычной форме с E и B, а в более глубоком — потенциальном представлении. Электрическое и магнитное поля выражаются через скалярный потенциал φ и векторный потенциал A:
B = ∇ × A, (1)
E = −∇φ − ∂A / ∂t (2)
Подставив эти выражения в волновые уравнения Максвелла и воспользовавшись калибровкой Лоренца:
∇ · A + 1/c2 * ∂φ/∂t = 0, (3)
получаем классические волновые уравнения для потенциалов:
1/c2 * ∂2φ/∂t2 — ∇2φ = 0, 1/c2 * ∂2A/∂t2 — ∇2A = 0 (4)
Оба уравнения — это уравнения скалярной (φ) и векторной (A) волн. Векторный потенциал A внутри этой математики может колебаться вдоль направления своего движения, то есть иметь продольную компоненту.
Ключевое наблюдение: операция ротора (∇×), применённая к A для получения наблюдаемого поля B, математически уничтожает продольную компоненту и оставляет только поперечную:
∇ × (продольная волна) − → только поперечная компонента (5)
Таким образом, то, что мы измеряем приборами как «поперечную» ЭМВ — это математический разрез более глубокого процесса, протекающего в потенциале A. Сам процесс имеет продольный характер.
Здесь требуется уточнение. Калибровочная свобода уравнений Максвелла позволяет перераспределять вклад между скалярным потенциалом φ и продольной частью векторного потенциала A, не меняя наблюдаемых полей E и B. Это означает, что продольная компонента потенциала не фиксирована однозначно — она зависит от выбора калибровки. Однако сам факт, что описание допускает продольную компоненту потенциала и что она устранима лишь выбором математического языка (калибровки), а не физическим измерением, показывает: продольная составляющая не является запрещённой природой — она скрыта формализмом. Физически наблюдаемая среда-носитель восстанавливает её как реальное продольное движение, проекцией которого служат поля E и B.
6. Почему наши приборы «видят» только поперечный срез?
Любой физический прибор для регистрации ЭМВ построен из заряженных частиц. Сила, действующая на заряд q, движущийся со скоростью v, определяется силой Лоренца:
F = q (E + v × B). (6)
Эта сила зависит только от E и B — то есть именно от «поперечного среза» потенциальной волны. Продольная составляющая векторного потенциала A непосредственно на заряд не действует (в классической электродинамике), и прибор её не регистрирует.
Важно понять, что именно регистрирует прибор. Заряженная частица детектора — это, в материалистической картине, устойчивая структура. Проходящее возмущение среды воздействует на эту структуру механически, и отклик частицы (её смещение, наведённый ток) мы интерпретируем как «действие поля E и B». Таким образом, поля E и B суть не первичная сущность, а форма, в которой движущаяся среда проявляет себя через механический отклик материала детектора прибора. Прибор измеряет не саму волну среды, а результат её взаимодействия со своим веществом — поперечную проекцию этого взаимодействия.
Здесь уместна аналогия с измерением температуры. Температура есть мера скорости движения молекул, однако ни один термометр не измеряет скорость молекул напрямую. Мы определяем температуру косвенно — через изменение объёма жидкости, через изменение электрического сопротивления термопары, через давление газа. Прибор регистрирует вторичную, удобную для измерения величину, а не саму физическую сущность. Точно так же детектор ЭМВ регистрирует наведённый ток или смещение зарядов — удобную для измерения проекцию, а не само движение среды. Отождествление этой проекции с полной природой волны есть та же ошибка, что и отождествление показаний термометра со скоростью молекул.
Это не означает, что продольной составляющей нет. Это означает, что наши инструменты к ней нечувствительны — по той же причине, по которой электрический заряд не чувствителен к магнитному полю, когда движется параллельно его линиям, хотя магнитное поле от этого не перестаёт существовать.
Однако квантовая физика обнаружила прямое проявление продольной структуры потенциала в эффекте Ааронова–Бома (1959): электрон изменяет свою квантовую фазу в области, где E = 0 и B = 0, но где присутствует ненулевой векторный потенциал A [4]. Этот эффект многократно подтверждён экспериментально и доказывает: потенциал A — физически реальная величина, а не просто математическое вспомогательное средство.
7. Физическая интерпретация: продольная звуковая волна в физическом вакууме
Уравнения Максвелла содержат два фундаментальных параметра: электрическую постоянную ε0 и магнитную постоянную µ0. Скорость света выражается через них как:
c2 = 1 / (ε0 · µ0) (7)
В рамках дополнительно к настоящей статье было проведено исследование и через три независимых пути показано, что электрическая постоянная ε0 имеет размерность и физический смысл плотности среды [кг/м3] [7]:
ε0 = ρ0 ≈ 8,854 · 10−12 кг/м3. (8)
И з этого отождествления через физическую размерность единицы тока ампер:
[А] = кг/с2
непосредственно следует, что магнитная постоянная приобретает размерность:
[µ0] = м·с2/кг = Па−1 . (9)
Это в точности размерность адиабатической сжимаемости газа β. Следовательно: µ0 = β.
Тогда формула скорости света совпадает с формулой скорости звука в газе.
Совпадение не случайно — это физическое тождество: скорость света есть скорость продольной звуковой волны в физическом вакууме.
Это тождество имеет прямой физический смысл в свете заявленного выше принципа: энергия есть движение материи. Продольная звуковая волна в физическом вакууме— это последовательная передача движения от слоя к слою среды через её сжатие и разрежение, ровно как звук в газе. Каждый слой, сжимаясь, передаёт давление соседнему, и так возмущение бежит со скоростью света, перенося энергию без переноса самого вещества среды. Это и есть материальный механизм передачи электромагнитной энергии, которого требует принцип материализма: не абстрактное «поле в пустоте», а реальное движение реальной среды.
В зонах сжатия и разрежения продольной волны периодически изменяется давление физического вакуума на нуклоны вещества. Это вызывает периодическое изменение их размеров и производимых ими электрического и магнитного полей. Именно эта модуляция регистрируется приборами из вещества как «электромагнитная» волна. В вакууме, без вещества-регистратора, волна является чисто звуковой — продольной волной давления физического вакуума.
Здесь необходимо предупредить закономерное возражение. В стандартной электродинамике перенос энергии ЭМВ описывается вектором Пойнтинга S = E × H, выраженным через поперечные поля E и B; продольная компонента потенциала в вакуумной калибровке Лоренца в этот поток не вносит вклада. Однако это не опровергает изложенную модель, а уточняет её. Вектор Пойнтинга — это математическое описание энергии, регистрируемой через отклик заряженных частиц прибора, то есть описание наблюдаемой проекции процесса, а не его первичного механизма. Физическим носителем энергии является сама продольная звуковая волна давления эфира, распространяющаяся со скоростью звука в эфире c. Поля E и B, а значит и вектор Пойнтинга, суть форма, в которой этот перенос проявляется при взаимодействии с веществом. Вопрос о том, как именно описывал бы этот механизм Максвелл, остаётся за рамками его формализма — последний фиксирует наблюдаемые поля, но не физическую природу среды, в которой они возникают.
8. Критический анализ опытных данных
Существует ряд классических опытов — по поляризации света (Малюс, Френель, Араго), по прохождению излучения через линейные решётки (Герц), по двойному лучепреломлению в кристаллах, по циркулярной поляризации, по эффекту Ааронова–Бома, — которые традиционно приводятся как прямое доказательство поперечной природы электромагнитных волн.
Критический разбор этих опытов с позиций двух конкурирующих моделей — классической поперечной волны и излагаемой здесь продольной звуковой волны в физическом вакууме — представляет собой самостоятельную и обширную задачу. Каждый такой опыт требует детального анализа полной постановки эксперимента: геометрии источника и приёмника, расстояний, длины волны относительно размеров элементов установки, структуры вещества поляризатора и схемы регистрации сигнала. Многие из этих параметров не были и не могли быть учтены в эпоху постановки исходных опытов, поскольку строение вещества, кристаллических решёток и атомных оболочек было раскрыто наукой значительно позднее.
Принципиально важно методологическое положение, изложенное в разделе 2: ни один эксперимент не доказывает теорию однозначно, но лишь проверяет её на непротиворечие. Один и тот же наблюдаемый результат, как правило, допускает истолкование в рамках нескольких различных, в том числе взаимно несовместимых, теоретических моделей. Поэтому корректная задача состоит не в том, чтобы объявить опыт «доказательством» одной модели, а в том, чтобы показать, какие именно условия опыта различали бы конкурирующие модели и какие постановки эксперимента остаются неоднозначными.
Полный критический разбор перечисленных опытов с этой точки зрения выходит за рамки объёма настоящей статьи и составит предмет отдельной работы, которая готовится к публикации. В ней предполагается последовательно рассмотреть каждый ключевой опыт, сопоставить предсказания поперечной и продольной моделей и сформулировать различающие эксперименты, способные разделить эти модели в контролируемых условиях. Здесь же ограничимся принципиальным выводом, не зависящим от частных истолкований: поперечное возмущение не может существовать и переноситься в пустоте — для него необходима материальная среда. Тем самым наблюдаемые поперечные характеристики излучения сами по себе свидетельствуют о существовании среды-носителя, а не против неё.
9. Почему возникла путаница: роль математического языка
Причина устойчивого заблуждения лежит в особенностях математического языка. Уравнения Максвелла обладают калибровочной инвариантностью: прибавление к потенциалу A градиента произвольной функции χ не меняет физических полей E и B:
A → A + ∇χ, φ → φ − ∂χ/∂t. (10)
Это означает, что продольная компонента потенциала A математически «не определена» — её можно обнулить выбором калибровки. В кулоновской и других стандартных калибровках так и делается. Физик, работающий с E и B, никогда не «видит» продольной части потенциала — она спрятана в свободу калибровочного преобразования.
Но отсутствие продольной компоненты в конкретной математической записи не тождественно её физическому отсутствию. Выбор калибровки — это выбор языка описания, а не изменение физической реальности. Именно здесь и совершается логическая ошибка, когда из математического удобства делается вывод об отсутствии продольной волны в природе.
Здесь проявляется более общая опасность. Математический формализм есть язык описания физической реальности, а не сама реальность. Когда удобство записи (выбор калибровки, отбрасывание «лишних» компонент) принимается за высказывание о природе, физика подменяется математикой. Уравнения Максвелла верны как описание наблюдаемых полей, но они не обязаны содержать в явном виде всю физическую картину среды — то, что устранимо калибровкой, устранимо лишь на бумаге. Физическая среда и её движения первичны; математическое описание вторично. Восстановление физической картины — среды, её движений, механизма переноса энергии — есть возвращение к материалистическому основанию науки.
10. Выводы
1. В сплошной однородной среде плоская поперечная волна с дальним переносом энергии невозможна без сдвиговой упругости среды. Утверждение о поперечности ЭМВ при одновременном отрицании среды-носителя содержит внутреннее противоречие: поперечное возмущение требует материальной среды, в которой только и может существовать.
2. Передача энергии есть передача движения материи. Распространение электромагнитной энергии на любые расстояния требует материального носителя — среды, заполняющей пространство. Тождество структуры формул Максвелла и Ньютона — скорости света c2 = 1/(ε0µ0) и скорости звука в газе v2 = 1/(ρβ), — указывает на природу этого носителя: физический вакуум как газоподобная среда, для которой ε0 имеет смысл плотности среды, а µ0 — сжимаемости.
3. Уравнения Максвелла в потенциальном представлении допускают продольную составляющую процесса, описываемого потенциалом A. Наблюдаемые поля E и B — это проекция более глубокого процесса, регистрируемая через механический отклик вещества прибора. Устранение продольной компоненты выбором калибровки есть операция над языком описания, а не над физической реальностью.
4. Эффект Ааронова–Бома не противоречит физической реальности векторного потенциала A как первичного объекта по отношению к полям E и B.
5. Критический разбор классических опытов, традиционно считающихся доказательством поперечности ЭМВ, с сопоставлением предсказаний поперечной и продольной моделей составляет предмет отдельной работы, которая выходит за объём данной статьи. При этом сам факт наблюдаемых поперечных характеристик излучения свидетельствует не против среды переноса энергии, а в пользу её существования.
Заключение. Вопрос о физической природе электромагнитных волн и среды, в которой они распространяются, остаётся открытым для исследования. Возвращение к материальному носителю и механической, причинно-следственной картине явлений — не шаг назад, а условие научного прогресса.
Список литературы
[1] Ацюковский В. А. Общая эфиродинамика. М.: Энергоатомиздат, 2018.
[2] Ацюковский В. А. Популярная эфиродинамика. М.: Энергоатомиздат, 2015.
[3] Maxwell J. C. A Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford: Clarendon Press, 1873.
[4] Aharonov Y., Bohm D. Phys. Rev. 115 485 (1959).
[5] Юнг Т., Френель О., Араго Д. Ф. — исторические источники по поляризации света (1816–1819).
[6] Hertz H. Wied. Ann. 36 769 (1889).
[7] Борисов А. М. Электрическая постоянная и механическая интерпретация — в печати (2026).
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1045390/