Тео­рия От­но­си­тель­но­сти и ко­ну­со­вид­ная волна

Я про­дол­жаю тему о пред­рас­суд­ках в со­вре­мен­ной фи­зи­ке.
Один из самых уди­ви­тель­ных пред­рас­суд­ков такой: спе­ци­а­ли­сты, ра­бо­та­ю­щие в об­ла­сти элек­тро­ди­на­ми­ки, почему-​то вдруг ре­ши­ли, что ко­ну­со­вид­ная волна – это обя­за­тель­но удар­ная волна.
С какой стати?

Опре­де­ле­ние из Ви­ки­пе­дии:
Удар­ная волна – по­верх­ность раз­ры­ва, ко­то­рая дви­жет­ся внут­ри среды, при этом дав­ле­ние, плот­ность, тем­пе­ра­ту­ра и ско­рость ис­пы­ты­ва­ют ска­чок.

Иными сло­ва­ми, волна счи­та­ет­ся удар­ной толь­ко в том слу­чае, когда об­на­ру­жен раз­рыв про­из­вод­ной у функ­ции, опи­сы­ва­ю­щей дан­ную волну.

Не вся­кая ко­ну­со­вид­ная волна яв­ля­ет­ся удар­ной, но вся­кая ко­ну­со­вид­ная волна по опре­де­ле­нию яв­ля­ет­ся вол­ной и пе­ре­но­сит энер­гию.
В от­ли­чие от пе­ри­о­ди­че­ски ко­ле­ба­ний ко­ну­со­вид­ная волна яв­ля­ет­ся оди­ноч­ной вол­ной, по­это­му за­ме­тить ее труд­нее.
Если ко­ну­со­вид­ная волна не яв­ля­ет­ся удар­ной, то она еще менее за­мет­на: об­раз­но вы­ра­жа­ясь, удар­ная волна кру­шит, а про­сто ко­ну­со­вид­ная – толь­ко встря­хи­ва­ет фи­зи­че­ские объ­ек­ты.

Сде­лать про­стую ко­ну­со­вид­ную волну за­мет­ной можно, если вло­жить в нее боль­ше энер­гии.

Рас­смот­рим в ка­че­стве при­ме­ра ана­лог ко­ну­со­вид­ной волны – но­со­вую волну, ко­то­рую ко­рабль со­зда­ет на по­верх­но­сти воды.

Но­со­вая волна от мо­тор­ной лодки может разве что встрях­нуть по­пла­вок к боль­шо­му неудо­воль­ствию си­дя­ще­го на бе­ре­гу ры­ба­ка, а но­со­вая волна ко­раб­ля может в слу­чае неудач­но­го сте­че­ния об­сто­я­тельств пе­ре­вер­нуть лодку.

Эрнст Мах сфо­то­гра­фи­ро­вал удар­ные волны, со­зда­ва­е­мые пу­ля­ми, дви­жу­щи­ми­ся со сверх­зву­ко­вой ско­ро­стью, и опуб­ли­ко­вал по­лу­чен­ные фо­то­гра­фии в 1888 году:

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что на фо­то­гра­фи­ях видно, как пуля со­зда­ет три ко­ну­со­вид­ные волны, а го­во­рят обыч­но толь­ко об одной волне, самой пер­вой и самой за­мет­ной – го­лов­ной.
Сфо­то­гра­фи­ро­вать волны, со­зда­ва­е­мые пу­ля­ми, ле­тя­щи­ми с до­зву­ко­вой ско­ро­стью, Маху не уда­лось, но это вовсе не озна­ча­ет, что они не су­ще­ству­ют, про­сто их за­ре­ги­стри­ро­вать труд­нее.

Пред­рас­су­док о том, что в ва­ку­у­ме невоз­мож­ны ко­ну­со­вид­ные элек­тро­маг­нит­ные волны, пред­по­ло­жи­тель­но обя­зан своим су­ще­ство­ва­ни­ем Джейм­су Макс­вел­лу. При­ня­то счи­тать, что имен­но он за­пу­стил в обо­рот дву­смыс­лен­ную фразу: «Рав­но­мер­но дви­жу­щий­ся заряд не из­лу­ча­ет».
Ба­буш­ка на­двое ска­за­ла: или за­ря­жен­ное тело дви­жет­ся рав­но­мер­но и не из­лу­ча­ет, или со­зда­ет ко­ну­со­вид­ную волну и тор­мо­зит при этом, рас­хо­дуя на со­зда­ние волны свою ки­не­ти­че­скую энер­гию.

Между тем, со­здать в ва­ку­у­ме ко­ну­со­вид­ную элек­тро­маг­нит­ную волну вовсе не слож­но: у пуч­ков и сгуст­ков за­ря­жен­ных ча­стиц кроме элек­три­че­ско­го есть еще и маг­нит­ное поле. Так как ча­сти­цы дви­жут­ся, эти поля де­фор­ми­ру­ют­ся и в окру­жа­ю­щем про­стран­стве во­круг сгуст­ка ча­стиц по­лу­ча­ет­ся имен­но она – ко­ну­со­вид­ная элек­тро­маг­нит­ная волна.
Про­бле­ма не в том, чтобы ее со­здать, а в том, как ее за­ре­ги­стри­ро­вать и как из­ме­рить энер­гию, за­тра­чен­ную на со­зда­ние волны.
Су­ще­ству­ет и го­раз­до более се­рьез­ная про­бле­ма: фи­зи­ки упор­но (на­чи­ная с XIX века, с мо­мен­та со­зда­ния элек­тро­ди­на­ми­ки) не же­ла­ют за­ме­чать эту самую волну и при­зна­вать ее су­ще­ство­ва­ние.

Я до­пус­каю, что воз­мож­но об­на­ру­жить и ко­ну­со­вид­ную волну, со­зда­ва­е­мую от­дель­ной ча­сти­цей, но об­на­ру­жить волну, со­зда­ва­е­мую груп­пой ча­стиц, оче­вид­но, будет легче.
И вовсе не обя­за­тель­но, что кол­лай­дер или пуч­ко­вая пушка будут наи­луч­шим вы­бо­ром для экс­пе­ри­мен­та по об­на­ру­же­нию ко­ну­со­вид­ной элек­тро­маг­нит­ной волны.
Мощ­ность ко­ну­со­вид­ной волны будет за­ви­сеть от ско­ро­сти дви­же­ния сгуст­ка ча­стиц и их сум­мар­но­го элек­три­че­ско­го за­ря­да, так как энер­гия маг­нит­но­го поля про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту силы тока.
С дру­гой сто­ро­ны, нет осо­бой необ­хо­ди­мо­сти в том, чтобы раз­го­нять ча­сти­цы до ско­ро­сти света.
Сле­до­ва­тель­но, можно по­пы­тать­ся ис­поль­зо­вать силь­но­точ­ный уско­ри­тель элек­тро­нов. Экра­ни­ро­ва­ние экс­пе­ри­мен­таль­ной уста­нов­ки в дан­ном слу­чае яв­ля­ет­ся обя­за­тель­ным – для за­щи­ты пер­со­на­ла и ла­бо­ра­тор­но­го обо­ру­до­ва­ния от из­лу­че­ния.
Кста­ти, нет осо­бой необ­хо­ди­мо­сти сразу про­во­дить экс­пе­ри­мен­ты в ва­ку­у­ме: для на­ча­ла до­ста­точ­но об­на­ру­жить ко­ну­со­вид­ную элек­тро­маг­нит­ную волну в воз­ду­хе.

Сгу­сток или пучок за­ря­жен­ных ча­стиц в про­цес­се дви­же­ния дол­жен, во­об­ще го­во­ря, со­зда­вать две ко­ну­со­вид­ные волны – го­лов­ную и хво­сто­вую:

Для ре­ги­стра­ции ко­ну­со­вид­ной волны необ­хо­дим дат­чик. В на­сто­я­щее время вы­пус­ка­ют­ся раз­но­об­раз­ные спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные дат­чи­ки для ре­ги­стра­ции элек­три­че­ско­го и маг­нит­но­го поля, но воз­мож­но, что в про­стей­шем слу­чае для об­на­ру­же­ния маг­нит­ной со­став­ля­ю­щей ко­ну­со­вид­ной волны вполне по­дой­дет про­во­лоч­ная рамка или мно­го­вит­ко­вая ка­туш­ка.
 

А те­перь пе­ре­хо­дим к оче­ред­но­му ужа­сти­ку.
Такое фи­зи­че­ское яв­ле­ние, как ко­ну­со­вид­ная элек­тро­маг­нит­ная волна, никак не ужи­ва­ет­ся с Тео­ри­ей От­но­си­тель­но­сти и по­это­му никак этой самой тео­ри­ей не рас­смат­ри­ва­ет­ся.

Рас­смот­рим оче­ред­ной па­ра­докс, свя­зан­ный с Тео­ри­ей От­но­си­тель­но­сти и си­сте­ма­ми от­сче­та.
Если си­сте­ма от­сче­та при­вя­за­на к среде (све­то­нос­но­му эфиру, ко­то­рый, в свою оче­редь, вбли­зи по­верх­но­сти пла­не­ты при­вя­зан к пла­не­те), то дат­чик будет сра­ба­ты­вать, ре­а­ги­руя на из­ме­не­ния маг­нит­но­го поля при дви­же­нии сгуст­ка ча­стиц мимо дат­чи­ка.
Если же си­сте­ма от­сче­та при­вя­за­на к сгуст­ку ча­стиц или какой-​либо ча­сти­це внут­ри сгуст­ка, то сгу­сток от­но­си­тель­но си­сте­мы от­сче­та непо­дви­жен и у него как-​бы со­всем нет маг­нит­но­го поля. В таком слу­чае будет счи­тать­ся, что это дат­чик дви­жет­ся от­но­си­тель­но сгуст­ка, но из­ме­не­ний маг­нит­но­го поля не при этом об­на­ру­жи­ва­ет по при­чине пол­но­го от­сут­ствия та­ко­во­го.

Для того чтобы по­ка­зать, до ка­ко­го аб­сур­да до­ка­ти­лись физики-​теоретики, вер­нем­ся к ана­ло­гии с но­со­вой вол­ной ко­раб­ля.
Волна – объ­ек­тив­ное яв­ле­ние, она на­блю­да­ет­ся и с бе­ре­га, и с ко­раб­ля.
Она су­ще­ству­ет неза­ви­си­мо от того, к ка­ко­му объ­ек­ту при­вя­за­на си­сте­ма от­сче­та.