Российские физики «помирили» теорию относительности и электродинамики через решение векового парадокса
Физики-теоретики из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» предложили новое осмысление одной из самых запутанных и давних проблем классической электродинамики — парадокса излучения вечно равномерно ускоренного заряда. Их работа показывает, что излучение вечно равномерно ускоренного заряда действительно существует, и этот факт не зависит от системы отсчета. Основной вопрос сводится к тому, какой наблюдатель способен его зарегистрировать и как это излучение проявляется в различных координатных системах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D. Известно, что любой ускоряющийся электрический заряд должен испускать электромагнитные волны, то есть излучать энергию. Этот принцип лежит в основе работы всего, от радиоантенн до синхротронов. Однако в этом простом правиле скрывается глубокий парадокс, который десятилетиями ставил в тупик ведущие умы. Он связан с принципом эквивалентности Эйнштейна, согласно которому наблюдатель в замкнутой лаборатории не может отличить однородное гравитационное поле от равноускоренного движения. Означает ли это, что все заряды на поверхности нашей планеты непрерывно излучают энергию? Если да, то откуда она берется? А если нет, то не нарушается ли фундаментальный принцип электродинамики?
Этот мысленный эксперимент обнажает конфликт между интуицией и строгими выводами теории. Споры о том, излучает ли равномерно ускоренный заряд, породили огромное количество научной литературы, но так и не привели к единому мнению. Проблема заключается в высокой симметрии такого движения и в том, что оно, в теории, длится вечно.
Российские физики-теоретики подошли к этой классической проблеме с новой стороны. Вместо того чтобы рассматривать идеализированный случай движения заряда строго по одной прямой, они проанализировали более общую и реалистичную ситуацию: заряд, который равномерно ускоряется в одном направлении и одновременно движется с постоянной скоростью в перпендикулярном. Это небольшое усложнение позволило нарушить избыточную симметрию задачи, которая мешала получить однозначный ответ, и провести строгие математические вычисления для различных систем отсчета. Ученые рассчитали так называемый вектор Пойнтинга, который описывает плотность потока электромагнитной энергии, и проанализировали, какая часть этой энергии уходит на бесконечность, что и является строгим определением излучения.
Ускоренный заряд теряет энергию на радиационное трение в любой системе отсчета, и этот факт является неоспоримым доказательством наличия излучения. Однако способ регистрации и описания этого излучения сильно зависит от выбора системы отсчета и от того, в какой области пространства-времени находится наблюдатель.
В частности, для наблюдателя, движущегося вместе с зарядом (в неинерциальной сопутствующей системе отсчета), поток энергии через локально замкнутую поверхность, окружающей заряд, может быть равен нулю. Однако сам по себе нулевой локальный поток не означает отсутствия излучения в целом. Дело в том, что в такой неинерциальной системе отсчета, которая не покрывает всего пространства-времени (например, в системе координат Риндлера, описывающей равномерно ускоренное движение), невозможно корректно определить так называемую волновую зону — область пространства на большом удалении от источника, где электромагнитные волны отрываются от него и распространяются независимо.
Расчеты, выполненные авторами в инерциальной системе отсчета Минковского (связанной с неподвижной лабораторией), показывают совершенно иную картину. Для удаленного неподвижного наблюдателя поток энергии от ускоряющегося заряда не только существует, но и уходит на бесконечность. Это является неопровержимым доказательством существования излучения.
Милованова Мария, аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау, сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ, так прокомментировала результаты проведенного исследования: « Для того, кто ускоряется вместе с зарядом, все выглядит статично на малых расстояниях, как будто никакого излучения нет. Он находится внутри «шубы» из поля, которая движется вместе с ним. Но для наблюдателя в лаборатории, мимо которого этот заряд проносится, часть этого поля отрывается и улетает в виде электромагнитных волн. Обе точки зрения верны, и никакого противоречия нет, если правильно разграничить ближние и дальние области поля, а также учитывать, что не все системы отсчета способны описывать излучение в волновой зоне».
Таким образом, парадокс разрешается не через отрицание одного из явлений, а через признание того, что разные наблюдатели имеют доступ к разным частям одной и той же физической реальности. Излучение есть всегда, но его проявления и способ регистрации зависят от контекста наблюдения.
Это исследование подтверждает внутреннюю согласованность общей теории относительности и классической электродинамики, показывая, как принцип эквивалентности работает в таких тонких ситуациях. Заряд, покоящийся в гравитационном поле, действительно излучает, но это излучение может быть зарегистрировано только свободно падающим наблюдателем, находящимся на большом расстоянии, но не наблюдателем, который также покоится в этом гравитационном поле. Кроме того, полученные результаты важны для понимания физических процессов в экстремальных условиях, например, вблизи чёрных дыр или в ранней Вселенной, где сильные гравитационные поля и ускоренные движения являются нормой.
Авторы в дальнейшем планируют изучить дипольный излучатель конечного размера и рассмотреть корректный предельный переход к излучению точечного заряда, чтобы сделать вопрос более ясным.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно