¿Las ondas electromagnéticas siempre se dispersan a medida que viajan por el espacio?

Si siempre. Aquí hay 3 casos ilustrativos:

  • Considere una fuente puntual de luz, o cualquier forma que emita luz a través de un rango de direcciones. Coloque una esfera alrededor de la fuente al menos a 1 metro de distancia en todas las direcciones. Calcule la energía de la luz por metro cuadrado. Ahora considere una esfera más grande, con el doble del radio. La misma cantidad de energía cruza cuatro veces el área de la superficie, de ahí la ley del cuadrado inverso para la intensidad.
  • Se puede enfocar un haz de luz, por lo que su área de sección transversal disminuye a medida que se propaga hacia adelante. Pero, por supuesto, una vez que alcanza el punto focal, se dispersa en el mismo ángulo para siempre.
  • Lo mejor que puedes hacer es un rayo láser. Aquí tienes dos espejos paralelos con un material láser entre ellos. Un espejo deja salir una pequeña fracción de la energía, por lo que el haz tiene un frente de onda plano paralelo al espejo. Incluso en este caso, tiene una dispersión mínima, porque el principio de incertidumbre requiere que, dado que la posición del borde del haz está muy restringida, el momento no está limitado y existe un componente de momento que no es estrictamente paralelo al haz. Un rayo láser tiene todos sus fotones alineados en una fase y dirección coherentes, por lo que tiene la dispersión más pequeña obtenible físicamente.

Alguien puede mejorar mi descripción de Heisenberg aplicada a rayos láser.

Tenga en cuenta que en óptica la dispersión se refiere al hecho de que en todos los medios, aparte de la fase de vacío, la velocidad de la radiación EM depende de su frecuencia (así es como funciona la espectroscopía con prisma (en oposición a la rejilla de difracción)). En algunos medios ionizados, la velocidad de fase puede ser incluso mayor que c (velocidad de la luz en el vacío); la velocidad del grupo (con la cual se propaga la modulación y, por lo tanto, la información) no puede exceder c .

Pero la pregunta probablemente se refiere a la divergencia del haz, propagación del haz EM a medida que viaja. La respuesta es sí: incluso el rayo láser coherente se extiende; El ángulo de divergencia (del mejor haz alcanzable) es proporcional a su longitud de onda e inversamente proporcional a su ancho en la “cintura”.

Por ejemplo, el pulso láser utilizado en el experimento Lunar Laser Ranging llega a la superficie lunar como un “panqueque” de cuatro millas de diámetro; naturalmente, también se propaga en el camino de regreso. Es por eso que se necesita un telescopio de buen tamaño para realizar este experimento.

La pregunta es: ” ¿Las ondas electromagnéticas siempre se dispersan a medida que viajan por el espacio?”

Los Detalles agregan: “¿Las ondas electromagnéticas generalmente se dispersan a medida que viajan más lejos de una fuente?”

Detecto lo que interpreto como algo de confusión aquí. En la Pregunta encontramos la frase “siempre disperso” pero en los Detalles esto se ha convertido en “generalmente disperso”. En mi opinión, estos se refieren a dos descripciones diferentes de eventos. Luego tenemos “mientras viajan por el espacio” en la Pregunta, transfigurado a “mientras viajan más lejos de una fuente” en los Detalles. La segunda de estas dos frases presupone una dirección de movimiento (divergencia) que la frase correspondiente en la Pregunta no.

Dejando a un lado estas dificultades por el momento, podemos considerar una situación experimental en la que hay un gran cuerpo con carga positiva colocado centralmente y equidistante de varios cuerpos más pequeños con carga negativa. Existirá entonces una fuerza atractiva entre las cargas positivas y negativas que implicarán ondas electromagnéticas.

Se plantea la cuestión de cómo ver mejor la dirección de viaje de estas ondas electromagnéticas. Desde una perspectiva, las ondas emitidas por los cuerpos con carga negativa individual se dispersan inicialmente en el espacio. ¿Pero lo están haciendo por igual en todas las direcciones?

En igualdad de condiciones, deberían preferir la dirección que conduce más directamente al cuerpo cargado positivamente. Luego, desde la perspectiva del sistema en su conjunto, hay varias ondas electromagnéticas que convergen hacia el cuerpo cargado positivamente por igual. Desde esta perspectiva, lo que enfrentamos no es una dispersión, sino un conglomerado. Las diversas ondas electromagnéticas que divergen de diferentes fuentes puntuales individuales convergen aquí hacia la misma fuerza de atracción.

Claramente, no he abordado la pregunta como pretendía el OP. He visto el asunto desde una perspectiva diferente, una que considero de mayor importancia, aunque solo sea porque nada en este gran universo está realmente completamente aislado. Es importante ver las cosas en contexto, lo que significa que se ajustan a sistemas completos.

Es difícil encontrar una solución libre de dispersión de una onda electromagnética, pero existe al menos una solución, pero no es física. Requiere condiciones de contorno muy particulares, y no he leído sobre eso en muchos años (décadas). Puede pensar en la sección transversal del haz como una curva gaussiana (quizás una función de bessel). La intensidad del haz sobre un área infinita nunca debe caer a cero, o el haz comienza a dispersarse.

En el espacio, las soluciones a las ecuaciones de Maxwell parecen

[matemáticas] \ vec {E} = \ sum_n {\ vec {A_n} e ^ {i \ vec {k} \ cdot \ vec {x} – \ omega t}} [/ matemáticas]

Ahora [math] k = \ frac {\ omega} {c} [/ math] donde c es la velocidad de la luz en el vacío. En otras palabras, la magnitud del vector de onda depende de la frecuencia de la onda. Por lo tanto, si uno comienza con una onda policromática, sus diferentes componentes de “frecuencia” tendrán diferentes números de onda; Un fenómeno que llamamos dispersión.

Su pregunta en realidad tiene 3 partes, basadas en lo que quiere decir con ‘ondas’ EMF:

  1. como un paquete de energía Cuántica, ya tienes muchas respuestas para eso.
  2. tantos fotones físicamente reales que forman el haz de radiación, y
  3. enfocándose solo en un comportamiento de fotón físicamente real

La respuesta para el n. ° 3, según MC Physics en http://www.mcphysics.org , es NUNCA, ya que el fotón individual es una partícula elemental física real con una posición conocida que viaja linealmente en c. Esta teoría de un fotón físico real se presenta en:

Artículo de viXra titulado “Física MC: modelo de un fotón real con estructura y masa”

La respuesta para el n. ° 2 es absolutamente SÍ, siempre habrá dispersión / interacciones entre el EMF de los fotones (como se ve en el n. ° 2) ya que ninguna fuente de fotones, ni siquiera un láser, tiene una sintonización de frecuencia perfecta con un solo punto de emisión específico, y por lo tanto, las interacciones EMF causarán estadísticamente dispersión.

Recuerdo haber revisado las soluciones exóticas de “onda localizada” de EM y sentir que estaban ocultando todo lo interesante en el límite. Se necesitaban controladores exóticos para mantenerlos, así que no me impresionaron mucho. Si quiere decir, si se extienden paquetes de soporte compacto en alguna dirección, la respuesta es sí. Se desprende del análisis habitual de paquetes de descomposición de onda libre.

Depende de lo que quieras decir con “dispersar”. Las ondas EM viajan sin dispersión (óptica) en la medida en que viajan a través del vacío. La mayor parte del espacio es una excelente aproximación al vacío perfecto. Las ondas EM viajan en líneas rectas sin divergencia debido a la difracción en la medida en que son ondas planas infinitas (o al menos muchas veces más anchas que la longitud de onda). Puede obtener algunas aproximaciones excelentes a las ondas planas, pero ninguna que no se desenrede en gran medida en la escala del universo observable.

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