¿Cuáles son las causas de la permitividad y la permeabilidad del vacío?

Question

Cuando la luz viaja a través de un material, se "ralentiza" (al menos su velocidad neta disminuye). Los átomos del material "perturban" la luz de alguna manera, lo que hace que se detenga en su camino. Esto se expresa en la permitividad y la permeabilidad del material: Su capacidad para transmitir ondas electromagnéticas.

Pero entonces, ¿cuál es la causa de la limitada permitividad y permeabilidad del vacío? Allí no hay átomos que perturben la luz, así que ¿qué le impide viajar a velocidad infinita? ¿Existe una propiedad especial del propio espacio que determina la velocidad de la luz? ¿O son las partículas virtuales del vacío las que interactúan con la luz?

Answer 1

Lo que hace que estas constantes tengan los valores que tienen es simplemente nuestra elección de un sistema de unidades.

Cuando se tiene una constante sin unidades, tiene sentido preguntarse por qué tiene el valor que tiene. Por ejemplo, dos de las líneas del espectro visible del hidrógeno tienen longitudes de onda en la proporción entera exacta de 28/25. Cuando se descubrió esto por primera vez, tenía sentido preguntarse por qué tenía este valor exacto, y la respuesta era desconocida. Más tarde se descubrió la respuesta. Consideraciones similares se aplican a otras constantes sin unidades de la física, como la relación de las masas del protón y el electrón, o la constante de estructura fina. Al menos, en principio, existe la esperanza de encontrar alguna teoría futura de la física que pueda explicar sus valores.

Nunca puede haber una explicación de este tipo para el valor de una constante que tiene unidades. Eso es porque las propias unidades son arbitrarias. Aquí hay una buena discusión sobre eso en relación con la velocidad de la luz: Duff, 2002, "Comentario sobre la variación temporal de las constantes fundamentales". http://arxiv.org/abs/hep-th/0208093

Answer 2

Creo que el hecho de que las ondas electromagnéticas (EMW) tengan una velocidad finita en el vacío se puede explicar por dos cosas en la teoría clásica del electromagnetismo:

• No hay acción a distancia

• Los EMW son excitaciones de un campo EM

El hecho de que el campo EM en sí mismo no necesita ninguna sustancia material se ha debatido mucho a finales del siglo XIX, pero es un hecho real que se ha comprobado a principios del siglo XX.

La pregunta es entonces cómo se propaga un campo electromagnético.

• En primer lugar, una corriente oscilante induce un campo eléctrico oscilante
• campo eléctrico que a su vez induce un campo magnético giratorio
• que a su vez induce otro campo eléctrico
• y así sucesivamente

como se muestra en la figura

El campo, incluso en el vacío tiene una resistencia intrínseca a la "curvatura", donde la resistencia para una curvatura eléctrica sería diferente a la de una magnética. Esta perimidad y permeabilidad son responsables de la escala de tiempo necesaria para que todos estos campos se induzcan mutuamente (sin disipación). A fin de cuentas, sólo medimos experimentalmente que esta velocidad intrínseca de propagación es $c$ y parece ser invariable al cambiar el marco de referencia.

Answer 3

En el sistema cgs {E,D} y {B,H} tienen las mismas unidades. (Esto por sí solo es razón suficiente para usar cgs.) En ausencia de cualquier medio las funciones de respuesta deben ser por tanto $\epsilon=1$ y $\mu=1$ y estos son adimensionales. Limpio y lógico.

Answer 4

Sí, es la propia estructura del espacio-tiempo. La teoría especial de la relatividad se ocupa de ello.

Answer 5

Intentaré relacionar mi respuesta con la presión de degeneración cuántica en el modelo electrón-gas de los sólidos. En ese caso , la presión es una consecuencia completa del requisito de simetrización de los fermiones , y no es ninguna "presión" física como tal. Del mismo modo, el espacio libre tiene fluctuaciones de campo cuánticas y el campo electromagnético en el espacio libre está cuantizado (desde la electrodinámica cuántica). Y así, este requisito de cuantificación (análogo al requisito de simetrización) resulta en la "oposición" física (análoga a la presión) como efecto en esta propagación de la onda electromagnética (modelo sólido de electrones-gas) a nivel clásico. Por lo tanto, la permitividad y la permeabilidad del espacio libre son una consecuencia indirecta de la QFT que necesita ser rastreada.