Иллюстрация Л. И. Мандельштама (1944), показывающая преломление луча в среде (2), где групповая скорость волн отрицательнаВстречно направленные фазовая (Vф) и групповая (Vгр) скорости электромагнитной волны в лампе обратной волны типа М
Обратные волны (англ.backwardwaves) — это бегущие волны с противоположными фазовой и групповой скоростями, в которых фаза движется к источнику излучения волны[1][2] . В анизотропных структурах угол между этими скоростями (или с вектором Умова-Пойнтинга) тупой. Обратные волны обладают целым рядом замечательных, фундаментальных явлений и свойств. В частности, обратный эффект Доплера, отрицательное преломление[1][2] и антизеркальное отражение, само- и сверхфокусировка при преломлении, а также и при отражении, узкополосный или ограниченный частотный спектр существования, выраженное селективное затухание и многое др.
История
История зарождения теории обратных волн связана с историей понятия отрицательная групповая скорость волны[1][2]. Первым гипотезу о возможности волн с отрицательной групповой скоростью высказал английский физик Артур Шустер (1851—1934). Об этом в своей публикации от 11 февраля 1904 года указал английский математик и гидродинамик Гораций Лэмб (1849—1934)[1][2]. А.Шустер предложил Г.Лэмбу изучить условия появления волн с отрицательной групповой скоростью, что тот и сделал в 1904 году, впервые рассмотрев обратные волны в механике[1][2]. В том же году А.Шустер распространил эту теорию на оптические явления[3], доказав, что обратные электромагнитные волны возможны при отрицательной групповой скорости, а также что на границе двух сред, в одной из которых распространяется прямая волна, а в другой — обратная, возникает отрицательное преломление[1][2].
В 1905 году Поклингтон также указал, что в среде, где возможна обратная волна, источник колебаний формирует волну с групповой скоростью, направленной от источника, в то время как ее фазовая скорость ориентирована к источнику[1][2][4].
В 1940-х годах появились антенны и СВЧ-лампы обратной волны, использовавшие обратные волны[1][2]. Благодаря этому подзабытые положения теории обратных волн снова попали в сферу внимания физиков. К примеру, в своих лекциях по оптике Л. И. Мандельштам (1879—1944) в 1944 г. детально рассмотрел эффект обратного распространения волн[5], что способствовало освоению их практического использования и последовавшему в 1950-е годы теоретическому интересу к распространению обратных волн в линиях передачи[1][2]. Примером тому является работа Г. Д. Малюжинца (1951 г.)[6]. Д. В. Сивухин в 1957 году первым отметил, что фазовая и групповая скорости волны будут противоположно направлены в среде с одновременно отрицательными ε и µ[1][2][7]. В развитие этой идеи в 1959 году В. Е. Пафомов теоретически доказал возможность возникновения обратных волн в среде с одновременно отрицательными ε и µ.[1][2][8]
↑Arthur Schuster. An Introduction to the Theory of Optics. — Edward Arnold, London, 1904, p. 313—318.
↑H.C. Pocklington. Growth of a wave-group when the group velocity is negative. — Nature, vol.71, 1905, p. 607—608.
↑Мандельштам Л. И. Лекции по некоторым вопросам теории колебаний (1944 г.). Четвертая лекция/ В кн.: Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механики. — М.: Наука, 1972, с. 431—437.
↑G.D. Malyuzhinets. A note on the radiation principle. — Zhurnal Technicheskoi Fiziki, vol. 21, No. 8., p. 940—942 (in Russian. English translation in Sov. Phys. Technical Physics), 1951.
↑Сивухин Д. В. Об энергии электромагнитного поля в диспергирующих средах. — Оптика и спектроскопия, 1957, т. 3, № 4, с 308—312.
