Что общего и чем отличаются фотоны и частицы вещества

Что общего и чем различаются фотоны и частицы вещества?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

поделиться знаниями или
запомнить страничку

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,652
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Что общего и чем отличаются фотоны и частицы вещества

Что общего и чем различаются фотоны и частицы вещества?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Фотон

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются буквой γ.

Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами.

Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Физические свойства фотона [ ]

Фотон — безмассовая нейтральная частица. Спин фотона равен 1 (частица является бозоном), но из-за нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является спиральность, проекция спина частицы на направление движения. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной ± 1 . Этому свойству в классической электродинамике соответствует циркулярная поляризация электромагнитной волны.

Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретических обоснованиях (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния). Поэтому скорость фотона, как и скорость любой безмассовой частицы, равна скорости света. По этой причине (не существует системы отсчёта, в которой фотон покоится) внутренняя чётность частицы не определена. Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» (термин ныне выходит из употребления) исходя из соотношения m = E c 2 >>> , то она составит m = h ν c 2 >>> . Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице), поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна −1. Вследствие закона сохранения зарядовой чётности и её мультипликативности в электромагнитных процессах невозможно превращение чётного числа фотонов в нечётное и наоборот (Теорема Фарри).

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.

Фотон проводит часть времени как виртуальная частица векторный мезон или как виртуальная пара адрон-антиадрон. За счёт этого явления фотон способен участвовать в сильных взаимодействиях. Свидетельством участия фотона в сильных взаимодействиях являются процессы фоторождения π — мезонов на протонах и нейтронах, а также множественное образование нуклонов на протонах и ядрах. Сечения процессов фоторождения нуклонов на протонах и нейтронах очень близки друг к другу. Это объясняется тем, что у фотона есть адронная составляющая, за счёт чего фотон участвует в сильных взаимодействиях.

Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны λ и направление распространения.

Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.

Если энергия фотона равна E — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой E 2 = c 2 p 2 + m 2 c 4 =c^ p^ +m^ c^ > , как показано в специальной теории относительности.

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты ν (или, что эквивалентно, от длины волны λ = c / ν ) — постоянная Планка, равная h / 2 π — его величина (волновое число); ω = 2 π ν . Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δ x , которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью Δ x , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики: \Delta x \sim \frac , где θ — апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты Δ x можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны λ падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна Δ p . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла θ , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа

n фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы φ этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

\Delta n\Delta \varphi >1> .

И фотоны, и частицы вещества (электроны, нуклоны, ядра, атомы и т. д.), обладающие массой покоя, при прохождении через две близко расположенные узкие щели дают похожие интерференционные картины. Для фотонов это явление можно описать с использованием уравнений Максвелла, для массивных частиц используют уравнение Шрёдингера. Можно было бы предположить, что уравнения Максвелла — упрощённый вариант уравнения Шрёдингера для фотонов. Однако с этим не согласны большинство физиков. С одной стороны, эти уравнения отличаются друг от друга математически: в отличие от уравнений Максвелла (описывающих поля — действительные функции координат и времени), уравнение Шрёдингера комплексное (его решением является поле, представляющее собой, вообще говоря, комплексную функцию). С другой стороны, понятие вероятностной волновой функции, которая явным образом входит в уравнение Шрёдингера, не может быть применено по отношению к фотону. Фотон — безмассовая частица, поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения. Формально говоря, фотон не может иметь координатное собственное состояние | r ⟩ \rangle > и, таким образом, обычный принцип неопределённости Гейзенберга в виде Δ x Δ p ∼ h к нему неприменим. Были предложены изменённые варианты волновой функции для фотонов, но они не стали общепринятыми. Вместо этого в физике используется теория вторичного квантования (квантовая электродинамика), в которой фотоны рассматриваются как квантованные возбуждения электромагнитных мод.

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна [ ]

Квантовая статистика, применяемая к системам частиц с целочисленным спином, была предложена в 1924 году индийским физиком Ш. Бозе для квантов света и развита А. Эйнштейном для всех бозонов. Электромагнитное излучение внутри некоторого объёма можно рассматривать как идеальный газ, состоящий из совокупности фотонов, практически не взаимодействующих друг с другом. Термодинамическое равновесие этого фотонного газа достигается путём взаимодействия со стенками полости. Оно наступает тогда, когда стенки излучают в единицу времени столько же фотонов, сколько поглощают. При этом внутри объёма устанавливается определённое распределение частиц по энергиям. Бозе получил планковский закон излучения абсолютно чёрного тела, вообще не используя электродинамику, а просто модифицировав подсчёт квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве. В частности, было установлено, что число фотонов в абсолютно чёрной полости, энергия которых приходится на интервал от ε — постоянная Дирака, T — температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ: объёмом, температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление

P на стенки, так как фотоны обладают импульсом. Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

\sigma > — постоянная Стефана — Больцмана.

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия», сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера. В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе — Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия. В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а фермионы, например, электроны, — статистике Ферми — Дирака.

Спонтанное и вынужденное излучение [ ]

Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики.

В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:

1. Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
2. При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

Кроме того, полагалось, что излучение и поглощение света атомами происходит независимо друг от друга и что тепловое равновесие в системе сохраняется за счёт взаимодействия с атомами. Рассмотрим полость, находящуюся в тепловом равновесии и заполненную электромагнитным излучением, которое может поглощаться и излучаться веществом стенок. В состоянии теплового равновесия спектральная плотность излучения ρ ( ν ) , зависящая от частоты фотона ν , в среднем не должна зависеть от времени. Это означает, что вероятность излучения фотона любой данной частоты должна быть равна вероятности его поглощения.

Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость R j i > поглощения фотонов частоты ν и перехода атомов с энергетического уровня E j > на вышележащий уровень с энергией E i пропорциональна числу N j > атомов с энергией E j > и спектральной плотности излучения ρ ( ν ) для окружающих фотонов той же частоты:

R j i = N j B j i ρ ( ν ) > — константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции R i j > , характеризующая излучение системой фотонов частоты ν и переход атомов с вышележащего уровня энергии E i на нижележащий с энергией E j > — коэффициент спонтанного излучения, B i j > — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии i в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины R j i > должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:

g_ > — кратность вырождения энергетических уровней i > — энергия этих уровней, k — постоянная Больцмана, T — температура системы. Из сказанного следует вывод, что g i B i j = g j B j i называют коэффициентами Эйнштейна.

Эйнштейну не удалось полностью объяснить все эти уравнения, но он считал, что в будущем станет возможным рассчитать коэффициенты A i j > , когда «механика и электродинамика будут изменены так, чтобы соответствовать квантовой гипотезе». И это действительно произошло. В 1926 году Поль Дирак получил константу B i j > , используя полуклассический подход, а в 1927 успешно нашёл все эти константы, исходя из основополагающих принципов квантовой теории. Эта работа стала фундаментом квантовой электродинамики, то есть теории квантования электромагнитного поля. Подход Дирака, названные методом вторичного квантования, стал одним из основных методов квантовой теории поля. Следует отметить ещё раз, что в ранней квантовой механике только частицы вещества, а не электромагнитное поле, трактовались как квантовомеханические.

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица.Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности. Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.

Вторичное квантование [ ]

Различные электромагнитные моды (например, изображённые на рисунке) могут быть рассмотрены как независимые квантовые гармонические осцилляторы. Каждый фотон соответствует единичной энергии E = h ν в своей электромагнитной моде.

В 1910 году Петер Дебай получил формулу Планка, исходя из относительно простого предположения. Он разложил электромагнитное поле в абсолютно чёрной полости по Фурье-модам и предположил, что энергия каждой моды является целым кратным величины h ν — соответствующая данной моде частота. Геометрическая сумма полученных мод представляла собой закон излучения Планка. Однако, используя этот подход, оказалось невозможным получить верную формулу для флуктуаций энергии теплового излучения. Решить эту задачу удалось Эйнштейну в 1909 году.

В 1925 году Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан дали несколько иную интерпретацию дебаевского подхода. Используя классические представления, можно показать, что Фурье-моды электромагнитного поля — полная совокупность электромагнитных плоских волн, каждой из которых соответствует свой волновой вектор и своё состояние поляризации, — эквивалентны совокупности невзаимодействующих гармонических осцилляторов. С точки зрения квантовой механики, энергетические уровни таких осцилляторов определяются соотношением E = n h ν — частота осциллятора. Принципиально новым шагом стало то, что мода с энергией E = n h ν рассматривалась здесь как состояние из n фотонов. Этот подход позволил получить правильную формулу для флуктуаций энергии излучения абсолютно чёрного тела.

В квантовой теории поля вероятность наступления события вычисляется как квадрат модуля суммы амплитуд вероятностей (комплексных чисел) всех возможных способов, которыми это событие может реализоваться, как на диаграмме Фейнмана, изображённой здесь.

Поль Дирак пошёл ещё дальше.[83][84] Он рассматривал взаимодействие между зарядом и электромагнитным полем как небольшое возмущение, которое вызывает переходы в фотонных состояниях, изменяя числа фотонов в модах при сохранении полных энергии и импульса системы. Дирак, исходя из этого, смог получить коэффициенты Эйнштейна A i j > из первых принципов и показал, что статистика Бозе — Эйнштейна для фотонов — естественное следствие корректного квантования электромагнитного поля (сам Бозе двигался в противоположном направлении — он получил закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела, постулировав статистическое распределение Бозе — Эйнштейна). В то время ещё не было известно, что все бозоны, включая фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.

Рассмотренный Дираком второй порядок приближения в рамках теории возмущений вводит понятие виртуального фотона, кратковременного промежуточного состояния электромагнитного поля. Электростатическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством обмена такими виртуальными фотонами. В таких квантовых теориях поля амплитуда вероятности наблюдаемых событий вычисляется путём суммирования по всем возможным промежуточным путям, в том числе даже нефизическим; так, виртуальные фотоны не обязаны удовлетворять дисперсионному соотношению E = p c , выполняющемуся для физических безмассовых частиц, и могут иметь дополнительные поляризационные состояния (у реальных фотонов две поляризации, тогда как у виртуальных — три или четыре, в зависимости от использующейся калибровки). Хотя виртуальные частицы и, в частности, виртуальные фотоны не могут наблюдаться непосредственно, они вносят измеримый вклад в вероятность наблюдаемых квантовых событий. Более того, расчёты во втором и высших порядках теории возмущений иногда приводит к появлению бесконечно больших значений для некоторых физических величин. Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки. Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму. Например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары. Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера.

Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц, описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов, увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.

В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

|n_ \rangle > представляет собой состояние с числом фотонов n k i > , находящихся в моде k i . Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде k i записывается так:

Фотон как калибровочный бозон [ ]

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.

Вклад фотонов в массу системы [ ]

E=h\nu > , равной энергии этого фотона. В результате масса системы уменьшается (если пренебречь переданным импульсом) на E / c 2 / >> . Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину.

В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.

Фотоны в веществе [ ]

Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем c — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью

c. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света

c, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей

c. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

Что общего и чем отличаются фотоны и частицы вещества

Что общего и чем различаются фотоны и частицы вещества?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Своя игра для учащихся 11 классов

Сравните гипотезы Планка и Эйнштейна об электромагнитном излучении .

Квантовая физика

Как взаимосвязаны уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и законы Столетова, полученные эмпирическим путем

Физика и природа

Почему в ясный солнечный день солнечные блики под деревьями кажутся круглыми – ведь промежутки между листьями имеют самую разнообразную форму?

Физика и природа

Необходимо разложить по прямой линии молодые деревья, высаживаемые в землю при озеленении улицы. Каким свойством световых лучей пользуется при этом?

Физика и природа

Почему длинная аллея деревьев на значительном расстоянии от наблюдателя кажется сходящейся в одну точку?

Физика и природа

Почему у кошки в темноте светятся глаза?

Физика и природа

Что представляет собой зеркало, применяемое при исследовании глазного дна больного?

Элементарные частицы на пальцах™ ⁠ ⁠

Все тела состоят из атомов. Атомы находятся в бесконечной пустоте и при этом неделимы и неотличимы друг от друга. Все разнообразие мира возникает лишь от разности конфигурации атомов в структуры высшего порядка.

Как и другие философы Древней Греции, Демокрит выдвинул свою идею об атомах и общем устройстве мира абсолютно из головы. Посидел, подумал, почитал труды предшественников и современников и задвинул такую мощную телегу. Ни на чем не основываясь, лишь потому, что идея красивая и в слова складывается ладно. Древние греки вообще доказательствами себя сильно не морочили. Философские споры того времени решались просто — кто красивей выступил на публичном форуме, тот и прав. Многие современные аспекты человеческой деятельности так и остались на древнегреческом уровне развития, но вот наука со временем отмежевалась от философии и перешла к оперированию сущностями объективной реальности, данной нам в ощущениях, а нашим приборам в измерениях.

Что думает об элементарных частицах наука сегодня, точнее, как их можно представить себе на пальцах™, читайте далее.

Идея Демокрита о фундаментальных и неделимых атомах прожила 2500 лет и лишь совсем недавно получила научные подтверждения. Конечно, в нее внесли кое–какие корректировки, все знают, что атомы оказались не такими уж и неделимыми, что они состоят из элементарных частиц — электронов, протонов и нейтронов. Которые, в свою очередь, тоже, вроде бы состоят из неких кварков, но тут еще не до конца все понятно, так как состоят–то они состоят, но разделить их на отдельные части–кварки не получается, ибо конфайнмент.

Кроме этих трех вроде бы основных, существует еще масса других экзотических элементарных частиц, всяческие бозоны Хиггса и нейтрино, с разными параметрами и свойствами, их открыто уже более двухсот, так официально и называют «зоопарк частиц» или «particle zoo» по–английски.

Ученые знают (потому что тестировали, потому что проводили эксперименты) множество законов, которым эти частицы подчиняются, какими способами они могут соединяться друг с другом и даже превращаться друг в друга, однако до сих пор в научных кругах нет единого мнения, что же из себя представляют частицы, что они есть, в чем их суть?

В данной статье попытаюсь рассказать на пальцах™, как современная наука понимает суть элементарных частиц, повторюсь — единого мнения нет, есть множество формул, глядя на которые ученые мужи кивают головами и говорят — «да, сие есть правда». Но попробуй попросить объяснить, что эти формулы означают. Тут каждый выйдет вперед со своим толкованием, во–первых потому, что как я уже (три раза) упоминал — единого мнения до сих по нет, а во–вторых, потому что формулы описывают настолько заумные и далекие от повседневной жизни сущности, которые и представить себе сложно или даже невозможно, если не упрощать и не пользоваться доступными аналогиями. Если начать копать в глубину, у нормального человека мозг заканчивается уже на подступах, да и сами ученые на каком–то этапе бросают попытки визуализировать и как–либо представить себе происходящее, а просто продолжают гонять формулы туда–сюда, получая при этом (это важно!) предсказания, согласующиеся с результатами эксперимента.

И это совсем не значит, что «вот такие ученые дураки, даже элементарной частицы представить себе не могут!», как раз наоборот, наука продолжает давать верные ответы (что для нас означает — новые айфоны, автомобили и телевизоры) там, где человеческая фантазия и способность удерживать картинку в голове заканчивается. Натренированное на сказках «о драконах и принцессах» человеческое воображение пасует перед визуализацией «гамильтониана энергетических переходов многомерной вложенности» и прочими прелестями микромира. Но отчаиваться не стоит, не забираясь в детали и упрощая аналогии, любой неподготовленный человек может составить себе хоть какую–то картину, возможно данный пост поможет вам в этом.

Демокрит отказался провидчески прав, кроме неких деталей он почти все угадал верно — сегодня ученые считают, что даже атомы не нужны, весь мир лишь энергия и пространство–время (пустота).

Сначала люди думали, что элементарные частицы (которые тогда еще называли «атомы») это такие малююююсенькие шарики, которые непонятно как цепляются друг к другу, образуя все привычные вещества и предметы окружающей реальности. Почему шарики? Просто потому, почему бы и нет. Сфера — простейшая фигура, идеальная и симметричная со всех сторон. Природа ведь во всем стремится к простоте, в науке этот тезис звучит как «принцип наименьшего действия».

Древнегреческий математик и философ Платон решил, что шарики это слишком просто. Он наделил атомы формой, считая, что как и все совершенное, атомы должны представлять из себя правильные многогранники.

Как вы наверное слышали, в девятнадцатом веке ученые решили, что элементарные частицы вовсе не частицы, а наоборот волны. А в начале двадцатого придумали квантовую механику, решили, что элементарные частицы сразу одновременно и волны и частицы, нарекли их «волночастицами», породив тем самым корпускулярно–волновой дуализм.

Однако уже к тридцатым годам прошлого столетия от этой концепции решили отказаться. Да–да, вот уже почти сотню лет никакого корпускулярно–волнового дуализма в науке нет. Что бы там ни рассказывали в школе, это устаревшее понятие, и ученые им больше не пользуются. Однако широкую публику решили не шокировать и пока от волночастиц вслух не открещиваться. Народу даже с дуализмом смириться, и то серьезных ментальных усилий стоит. А реальность уж куда удивительней и загадочней.

Дело в том, что любая элементарная частица это как бы хитросплетенный сконденсированный кусочек чистой энергии. Визуально представить подобное почти невозможно, воображение заканчивается. В этой статье я как раз пытаюсь на пальцах™ объяснить, что это может значит. Как способен существовать кусочек чистой энергии? А если способен, то почему элементарные частицы отличаются друг от друга, энергия–то одна и та же. Или все–таки разная?

Нет, энергия одна, хоть и принимает различные физические формы, как вода, разлитая по разным сосудам. Действительно, так как все элементарные частицы состоят из одной и той же энергии, то теоретически, они могут превращаться друг в друга в любой комбинации. Что, кстати говоря, и делают в реальности. Точнее, не совсем в любой. В мире элементарных частиц, как, впрочем, и в нашем, действуют так называемые законы сохранения. Существуют некоторые свойства, от которых невозможно избавиться никакими метаморфозами. Например закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, импульса и так далее, подробности чуть ниже.

Для начала подумайте, как устроены и для чего предназначены разнообразные ускорители частиц, вроде Большого Адронного Коллайдера и прочих синхрофазотронов? Весь смысл их работы — собрать большое количество энергии в малом объеме. Точка. Как это достигается, не так уж и важно. Самый простой способ, это разогнать две частицы и столкнуть их лоб в лоб. То есть берут два протона (на самом деле конечно же миллиарды протонов), разгоняют их по кругу в противоположных направлениях до практически световых скоростей и сталкивают друг об друга. От удара выделяется большая энергия. В достаточно небольшом объеме. Сами протоны уничтожаются в этом столкновении, на какой–то миг переходят в состояние чистой энергии, как бы «возносятся в небеса», чтобы потом «вернуться и осесть» в виде каких–то других частиц, если повезет, даже доселе неизвестных науке.

Вкратце, это все, чем занимаются ученые. Концентрируют большую энергию в малом объеме, и смотрят, что из этого получится. Для этого необязательно сталкивать протоны. Можно сталкивать электроны, нейтроны или атомы свинца. Можно вообще ничего не сталкивать, есть другие виды экспериментов, например очень мощный лазер фокусируют на мельчайшей мишени и расстреливают ее в упор, это тоже способ собрать большую энергию в малом объеме. В конце концов можно просто взять молоток и со всей дури начать херачить им по наковальне. При этом тоже будет выделяться некая энергия и при большой удаче можно будет получить какую–то элементарную частицу. Это я шучу, конечно, все–таки порядки энергий не совсем те, но в принципе идея та же самая. «Возгоняем» материю до состояния чистой энергии, а потом смотрим, во что она «оседает».

Тут важно помнить и понимать два существенных фактора. Первый я уже упоминал, это наличие законов сохранения. Вполне интуитивная концепция — существуют несколько не меняющихся характеристик, которые как вошли в реакцию, точно так же и выдут из нее. Самый главный тут, конечно — закон сохранения энергии. Посчитаем, сколько у нас частиц (по массе) участвовало в реакции, ведь, что масса, что энергия, все равно E=mc^2. Плюс добавим сюда ту энергию, которую частицы приобрели за счет своей скорости (а их для того и разгоняют в ускорителях, чтобы добавить дополнительной энергии). Ровно столько же энергии мы получим на выходе, она никуда не денется, не исчезнет. То есть теоретически (теоретически!), мы можем так разогнать два протона, что после столкновения их лоб в лоб у нас окажется столько энергии, что ее хватит на образование сразу миллиона протонов. Теоретически да, но тут нельзя забывать, что кроме закона сохранения энергии существуют и другие законы сохранения.

Например закон сохранения заряда. Если в реакцию «влетело» два протона, и каждый имел при этом положительный заряд +1, то и на выходе мы должны получить что–то, что будет иметь суммарный заряд равный +2. Например на выходе нас могут ожидать 1000 нейтронов (заряд 0), 1000 электронов (заряд –1) и 1002 позитрона (заряд +1), чтобы в сумме все равно получалось +2. Или любая другая комбинация, главное, чтобы общий баланс в итоге сошелся. Кроме этого есть и другие законы сохранения: закон сохранения момента импульса, барионного числа, спина, четности и т.д. Некоторые из них безусловные, т.е. работают всегда и при любых обстоятельствах, другие выполняются лишь в определенных конфигурациях, но в целом идея весьма простая. Что, грубо говоря, влетело в реакцию, то (в сумме) из нее и вылетит. Хоть и в совершено неузнаваемом виде, не обязательно это будут те протоны, которые изначально в нее влетали.

Отмечу, что у нас тут не обычная химическая реакция, а некий процесс перехода материи в состояние чистой энергии, а затем возвращение ее назад, но уже в абсолютно ином, точнее, абсолютно любом виде. Вылететь из этой реакции может все что угодно. Все, что не нарушает законы сохранения. Это могут оказаться совершенно экзотические частицы, вместо привычных протонов, электронов и нейтронов. Могут вылететь какие–нибудь тау–мезоны, мюонные антинейтрино, отрицательные W– бозоны, или вообще неведомая зверушка, для которой и названия не придумали. Как раз упомянутый выше «зоопарк частиц», который еще не полон и ученые периодически открывают новые, все более экзотические экземпляры.

Чем более массивная получилась частица, чем больше энергии мы затратили на ее изготовление, тем короче она живет. Практически все тяжелые экзотические частицы нестабильны, и в сжатое время (мы говорим о порядках 10^–24 секунды) они распадаются на другие, уже более легкие, которые тоже могут распасться на еще более легкие, покуда в итоге мы не вернемся к привычным стабильным протонам с электронами. Ну, и фотонам, конечно же. Фотоны — частицы света, частицы этой самой «чистой энергии» тоже рождаются в таких реакциях, и если не удается «осадить» в виде какой–нибудь стабильной частицы, то они просто разлетаются в стороны, унося энергию с собой в виде тепла. Получается, что энергия может существовать как–бы в двух состояниях. Состоянии собственно чистой энергии — не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света фотонов, или же она может «сконденсироваться и осесть» в виде какой–либо элементарной частицы, с массой покоя и другими присущими материи характеристиками. Это, если повезет, конечно.

Ведь есть еще и второй, очень важный фактор, который играет огромную роль во всех этих превращениях частиц друг в друга, но который совершенно не интуитивен с точки зрения каждодневного человеческого опыта. Все реакции «возгонки и осаждения» элементарных частиц происходят в мире, которым управляют законы квантовой механики. А если вы хоть чуточку знакомы с принципами этой механики, то должны бы знать — все процессы в ней принципиально вероятностны и абсолютно случайны. Например, влетело у нас в реакцию два протона, с суммарной энергией, скажем, 10 ТэВ (10 триллионов электронвольт). Цифра не значит абсолютно ничего и приведена лишь для примера, не нужно ей особо заморачиваться. Следуя законам квантовой механики, каждый раз из этой реакции будут вываливаться другой набор частиц. Учитывая все законы сохранения, естественно, о которых я писал выше. Но никогда не узнаешь наперед, что вывалится в следующей конкретной реакции. Вот у нас из двух протонов на энергии столкновения 10 ТэВ получился топ–кварк и три тау–лептона (еще раз напоминаю, все реакции не соответствуют действительным, и приведены лишь в качестве примеров), а вот из таких же двух протонов (или даже тех же самых) на той же энергии столкновения, родилось 10 каонов, 11 мюонов, 7 тау–нейтрино и один бозон Хиггса. И никогда не угадаешь, почему так, а не иначе.

Ну, ученые тоже не совсем зря хлеб едят. Они все подсчитали, и чисто статистически, учитывая все тонкости, могут сказать — с вероятностью 40% при столкновении на такой энергии из реакции вывалятся три тау–лептона. С вероятностью 25% родятся 11 мюонов и 13 позитронов. А 11 мюонов и 12 позитронов вообще никогда не родятся, ибо при этом нарушится закон сохранения электрического заряда. Но с вероятностью в 3% могут родиться 11 мюонов, 13 позитронов и один нейтрон, так как он нейтральный и своей лепты в закон сохранения заряда не вносит.

В принципе, если сильно не лезть в детали, самое важное в реакции это масса, т.е. энергия родившейся частицы. Например частица Z–бозон имеет массу около 1.6·10^–25 килограмм, и это уже не с потолка цифра, а из википедии взята. Значит, если мы столкнем два протона на энергии 91.2 ГэВ (91.2 миллиардов электронвольт), а это как раз эквивалентно массе 1.6·10^–25 килограмм по всем уже полюбившейся формуле эквивалентности энергии и массы E=mc^2, то скорее всего мы этот Z–бозон в результате и получим. Если все другие законы сохранения не нарушены, естественно. А можем и не получить. Все вроде есть, энергия присутствует, заряды на месте, все указывает на то, что в результате реакции должен родится Z–бозон. А он раз, и не родился. Вероятность не выпала, не судьба. Короче говоря — «без выигрыша, попробуйте еще раз».

Именно таким образом и искали небезызвестный бозон Хиггса, про которого столько шума было в прессе пару лет назад. Ученые не знали точной его массы, но предполагали, что по теоретическим расчетам, она должна быть не менее такой–то величины, но в то же время и не более другой. В этом промежутке энергий и сталкивали протоны наугад, в надежде, что попадут в верное место и бозон Хиггса все–таки родится. Потому его поиски заняли несколько лет, если очень упрощенно говорить — все это время наугад тыкали, на каких же энергиях необходимо сталкивать протоны, чтобы получился бозон Хиггса. Перебирали разные варианты и в результате в конце концов вроде бы нашли его на энергии 125 ГэВ, что составляет примерно 2.22·10^–25 килограмма, или около 133 масс протона.

Теперь собственно, основная часть статьи. Аналогия, которая, возможно, поможет хоть как–то визуализировать, что из себя представляет элементарная частица, каким образом она рождается и как умирает.

Представьте себе некую ткань, например полотенце, которое небрежно уронили куда–то. На полотенце лежат две кучки песка, символизирующие два протона. Затем по этой ткани снизу ударили рукой, песок из кучек поднялся в воздух и посыпался обратно на полотенце. А оно совсем не натянуто, оно скомкано, в горах и долинах, ямы то тут, то там, совершенно измятая структура. Песок в данной аналогии у нас представляет собой энергию, которая поднявшись вверх затем «осаждается» в виде частиц, а полотенце даже сразу и не соображу, что символизирует. Оно символизирует одновременно и начальные условия и законы сохранения этих условий, и конфигурацию пространства–времени в месте, где происходит реакция «нисхождения» энергии, и расположение локальных минимумов энергии в этом пространстве–времени и еще много чего. Короче говоря — символизирует условия, в которых происходит процесс «осаждения» энергии. Что–то такое эфемерное и надуманное, ну, так аналогия же. Не нужно к ней слишком сильно придираться, конечно можно найти кучу нестыковок, она для образного представления приведена, а не для точного описания физики элементарных частиц.

Вроде бы равномерно (но все–таки случайным образом) падающий на ткань песок будет накапливаться в ямках, формируя какие–то структуры. Тут горка, там горка, а тут целая горища, потому что ямка в этом месте была глубокая. Горищи окажутся скорее всего неустойчивыми и при малейшем колебании рассыпятся на более мелкие кучки, а кое–где так и останутся ни с чем не связанные отдельные песчинки–фотоны.

Тут должна быть анимированная трехмерная модель, как песок подлетает, а затем валится назад на полотенце, образует кучки, кучки собираются и вновь рассыпаются, все это в динамике, вращается в пространстве под разными углами, видны сечения процессов и так далее. Но такой анимации в Интернете я не нашел, так что, поверьте на слово и включите воображение в этом месте все должно быть круто, информативно и доступно.

Читатели со звездочкой(*) знают, что хотя издалека полотенце кажется однородным и скомканным примерно равномерно, все время выходит так, что левые склоны формирующихся горок постоянно оказываются чуть более пологими, чем правые. Сразу и не заметишь, однако такая интересная закономерность была экспериментально обнаружена. Как и множество других, по кусочкам воссоздающих единую картину физики микромира.

Вот такая вот аналогия. Каждая образовавшаяся кучка песка в нашем воображаемом эксперименте представляет из себя некую стабильную частицу, получившуюся в результате «осаждения» энергии, высвободившейся при столкновении протонов. Причем не красивые ровные горы, а такие скрюченные складками полотенца, размазанные по пространству хреновины непонятной формы. А те горки, что развалились, представляют нестабильные частицы, которые вроде бы формируются, но потом опять распадаются под тяжестью собственного веса.

Какие в результате окажутся у нас частицы заранее и не скажешь, все будет зависеть от конфигурации изгибов ткани, а она у нас, напомню, брошена совершенно случайным образом. Но случайность–случайностью, а законы сохранения плюс статистика позволяют ученым делать кое–какие проверяемые предсказания.

Однако каждая кучка, по сути, состоит из одинакового песка. Просто сложенного в виде какой–то хитрой фигуры, заданной формой ткани полотенца. Каждая частица это одна и та же, но в разном количестве и по разному скомканная энергия. Еще раз особо подчеркну — не нужно думать, что наше скомканное полотенце, это искривленное пространство–время, в складках которого «застревает» энергия, образуя элементарные частицы. Не нужно понимать эту аналогию конкретно и буквально, искривления пространства–времени это совсем другой оперы либретто, это вам в Общую Теорию Относительности надо. От читателя хочу добиться лишь образной визуализации — каждая элементарная частица, это кусочек особым образом сконфигурированной (внешними обстоятельствами) энергии, висящей в окружающей пустоте. Вроде (только вроде!) нижеприведенной картинки, хотя это и вольная фантазия художника, а не реальная фотография частицы, естественно.

Конфигурация (фигура, если можно так сказать) данной энергии очень важна. Конфигурация энергии воспринимается нами, наблюдателями, как свойства конкретной частицы — заряд, спин, барионное число, масса покоя и так далее. Именно от этих свойств зависит, как частицы взаимодействуют между собой, или даже как превращаются друг в друга. Некоторые частицы вообще не будут друг с другом взаимодействовать. Не подходят их конфигурации друг другу, не входят «штырьки в отверстия, а ключи в замки», они просто пролетают мимо друг друга, а иногда и сквозь друг друга в прямом смысле слова, без взаимодействия. Потому что энергия же, ничего твердого внутри частиц нет.

Если конфигурация иная, частицы сталкиваются лоб в лоб, и разлетаются, словно бильярдные шары. Как будто–бы их энергия становится твердой. Хоть так и неправильно говорить, конечно. Просто при взаимодействии двух кусочков энергии они так идеально подходят друг другу, что образуют взаимодействия притягивания или отталкивания. А если конфигурация третья — то и могут объединиться в единую систему, стать запутанными частицами, образовать единую волновую функцию. А то и вовсе слиться из двух в одну устойчивую частицу, так тоже бывает.

И еще раз, теперь уже в последний, напомню и предостерегу. Представление частицы, как некой «хитрым образом размазанной по пространству энергии» призвано лишь помочь в визуализации. Это лучше чем «корпускулы», лучше чем «волны» и даже лучше, чем «корпускулярно–волновой дуализм». Но это все еще очень далеко от реальности. В реальности придется долго–долго перемножать многоэтажные тензоры комплексного гильбертова пространства, чтобы хоть как–то что–то предсказать и рассчитать. А как там оно на самом деле до сих пор не знает никто.

Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.

Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.

Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где c_w = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).

Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c

В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её ν_min.

Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью c_w. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.

Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z₀, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = ν_min, появляющейся в уравнениях, формулой

Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна ν_min, а присвоение ν = ν_min (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = ν_min нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить

Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.

Рис. 1

На А никаких ограничений нет. Но это оттого, что мы игнорируем квантовую механику. Пришло время изучить релятивистские квантовые поля.

Релятивистские квантовые поля

Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна

Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна

Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.

Но вспомним наше пифагорово соотношение частоты и длины волны. Если мы умножим его на h 2 , мы получим, что для кванта поля класса 1

Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу:

Ещё одно пифагорово соотношение. Минимальная энергия объекта равна mc 2 , что напоминает утверждение о минимальной частоте, которой может обладать волна класса 1, ν_min. У нас может возникнуть искушение предположить, что, вероятно, для кванта релятивистского поля

Первое уравнение впервые появилось в работе Луи Де Бройля в 1924 году – почти через 20 лет после Эйнштейна. Почему это заняло так много времени? Я не знаю.

Рис. 2

Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = ν_min приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим

Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.

Из уравнения (***) мы, наконец, можем подсчитать массу частицы. Каждая обладающая массой частица – это квант поля класса 1. Минимальная частота таких волн равна ν_min. Минимальная энергия одного кванта такой волны равна h, помноженной на частоту. А масса частицы – просто минимальная энергия, делённая на c 2 .

Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет ν_min, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.

Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.

Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?

Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.

Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.

Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.

А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.

Рис. 5: независимые кванты

В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.

Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, , где m_e — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.

Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.

Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга

• Все элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны.
• Фермионы (включая электроны, кварки и нейтрино) удовлетворяют принципу запрета Паули – два фермиона одного типа не могут делать одно и то же.
• Бозоны (включая фотоны, W и Z частицы, глюоны, гравитоны и частицы Хиггса) другие: два или более бозонов одного типа могут делать одно и то же.

Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.

Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:

Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов:

Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.

Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.

Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.

Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где c_w = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).

Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c

В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её ν_min.

Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью c_w. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.

Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z₀, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = ν_min, появляющейся в уравнениях, формулой

Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна ν_min, а присвоение ν = ν_min (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = ν_min нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить

Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.

Рис. 1

На А никаких ограничений нет. Но это оттого, что мы игнорируем квантовую механику. Пришло время изучить релятивистские квантовые поля.

Релятивистские квантовые поля

Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна

Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна

Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.

Но вспомним наше пифагорово соотношение частоты и длины волны. Если мы умножим его на h 2 , мы получим, что для кванта поля класса 1

Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу:

Ещё одно пифагорово соотношение. Минимальная энергия объекта равна mc 2 , что напоминает утверждение о минимальной частоте, которой может обладать волна класса 1, ν_min. У нас может возникнуть искушение предположить, что, вероятно, для кванта релятивистского поля

Первое уравнение впервые появилось в работе Луи Де Бройля в 1924 году – почти через 20 лет после Эйнштейна. Почему это заняло так много времени? Я не знаю.

Рис. 2

Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = ν_min приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим

Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.

Из уравнения (***) мы, наконец, можем подсчитать массу частицы. Каждая обладающая массой частица – это квант поля класса 1. Минимальная частота таких волн равна ν_min. Минимальная энергия одного кванта такой волны равна h, помноженной на частоту. А масса частицы – просто минимальная энергия, делённая на c 2 .

Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет ν_min, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.

Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.

Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?

Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.

Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.

Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.

А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.

Рис. 5: независимые кванты

В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.

Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, , где m_e — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.

Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.

Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга

• Все элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны.
• Фермионы (включая электроны, кварки и нейтрино) удовлетворяют принципу запрета Паули – два фермиона одного типа не могут делать одно и то же.
• Бозоны (включая фотоны, W и Z частицы, глюоны, гравитоны и частицы Хиггса) другие: два или более бозонов одного типа могут делать одно и то же.

Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.

Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:

Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов:

Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.

Похожие публикации:

1. Медь и олово сплав как называется
2. Seti что это такое
3. Как закоротить трансформаторы тока
4. Помехоустойчивость оптического волокна какая

Чем фотон отличается от других частиц

Фотон (γ). Что такое фотон, его импульс, масса, энергия и другие свойства

Название фотон происходит от греческого слова φῶς, которое означает «свет». Фотон — это элементарная частица, которая несет квант (т.е. одну порцию) энергии электромагнитного излучения. Энергия фотона точно определена и зависит от частоты электромагнитной волны.

Изучение свойств электромагнитных волн на рубеже 19 и 20 веков принесло множество наблюдений, которые не могли быть объяснены на основе волновой теории Максвелла. Среди дилемм физиков того времени был спектр излучения тепловых источников света (например, классической лампочки), явление излучения черного тела, внешний фотоэлектрический эффект, то есть эмиссия электронов из металлов под воздействием падающего электромагнитного излучения. Эти явления невозможно объяснить, рассматривая электромагнитное излучение как волну.

Рис. 1. Свет как волна и как пучок фотонов

Волновое описание света, утвердившееся в науке того времени и подтвержденное рядом экспериментов и теорий, должно было столкнуться с наблюдениями, показывающими, что свет ведет себя не только как волна, но и как совокупность частиц. Макс Планк, объясняя спектральное распределение излучения черного тела, ввел понятие порции энергии, которую он назвал квантом. Эта концепция была развита Альбертом Эйнштейном, когда он заявил, что, например, электромагнитная волна состоит из частиц (так называемых квантов) света.

Определение.

Фотон ( γ ) — это частица, несущая порцию энергии (квант энергии) электромагнитного излучения. Название было предложено американским физиком-химиком Гилбертом Ньютоном Льюисом. Она должна была описывать фотон как частицу, переносящую энергию излучения. По мнению ученого, фотон должен был поглощаться и испускаться материей.

Фотоны ( γ ) являются элементарными частицами. Они не имеют массы покоя и всегда движутся со скоростью света. Согласно текущему состоянию знаний, квантовая механика предлагает наилучшую модель, объясняющую фотоны. Это справедливо для всех элементарных частиц. Поэтому они демонстрируют дуализм волна-частица. Это означает, что они обладают свойствами волн и частиц.

Что такое фотон?

Свет — это диапазон электромагнитного спектра, который вы можете воспринимать невооруженным глазом. Иногда слово «свет» также используется для описания электромагнитных волн с большей длиной волны, например, инфракрасного света, или с меньшей длиной волны, например, ультрафиолетового света. Этот свет описывается в квантовой физике как поток квантовых объектов. Эти квантовые объекты — фотоны.

Фотоны ( γ ) являются частицами-носителями электромагнитного взаимодействия. Таким образом, они представляют свет, а также все другие электромагнитные волны и переносят электромагнитную силу. Квантовая электродинамика описывает фотон как так называемый бозон, элементарную частицу, свойства которой четко отличают ее от свойств электрона или подобных частиц. В большинстве случаев бозоны всегда являются также частицами-носителями сил, таких как электромагнитные, сильные и слабые силы.

Квантовая электродинамика — это область квантовой механики, которая адаптирует классическую электродинамику к современной квантовой механике. Одно из его важнейших свойств — отсутствие массы. Более того, его энергия, а также импульс пропорциональны его частоте.

Свойства фотона

Фотоны — это безмассовые, электрически нейтральные и стабильные элементарные частицы. Фотон является частицей-носителем электромагнитного взаимодействия и не подчиняется принципу Паули.

Электрический заряд	0, нейтральный
Масса покоя	0 кг
Спин	1
Взаимодействие	электромагнитный гравитация
Скорость движения	Скорость света c = 299 792 458 м / с

Масса и скорость фотонов

Согласно современному уровню знаний, фотон должен быть безмассовым. Если бы у него была масса, фотоны не двигались бы со скоростью света (c). Это означало бы, что скорость света перестала бы быть скоростью света, а стала бы теоретическим пределом скорости, которую объект может достичь в пространстве-времени. Кроме того, скорость фотона будет зависеть от его частоты, и многие законы природы, такие как закон Кулона, получат дополнительные факторы. Тогда многие современные устройства будут работать по-другому или вообще не будут работать.

Вывод: экспериментально доказано, что фотон не имеет массы.

Скорость света в вакууме является универсальной константой, равной точно = 299 792 458 м/с. Не странно ли, что, в отличие от других констант, здесь нет многочисленных десятичных цифр, которые мы обычно округляем в зависимости от приближения, которого хотим добиться? Точное значение скорости света просто выводится из определения метра, принятого в 1983 году. Согласно этому определению, 1 метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 с.

В астрономии используется другая единица длины, не входящая в систему СИ, связанная со скоростью света. Это световой год, определяемый как расстояние, проходимое светом за один год. При определении светового года используется юлианский год, продолжительность которого составляет 365,25 дня. Аналогично можно использовать такие единицы измерения длины, как световая секунда, световая минута и т.д.

Скорость фотонов в вакууме не зависит от частоты электромагнитного излучения. Она одинакова для всех диапазонов излучения — от гамма-излучения до радиоволн. Одним из доказательств является наблюдение за вспышками звезд. Радиоволны и свет, излучаемые во время вспышки звезды, достигают Земли одновременно. Их скорость равна в пределах 10 -7 .

Фотон в вакууме всегда движется с постоянной скоростью для каждого наблюдателя. Если объект, движущийся со скоростью v = 0,9c, испускает фотон в направлении, совпадающем с направлением его скорости (см. рисунок 2), то фотон будет удаляться от него со скоростью света c. Но для неподвижного наблюдателя скорость фотона также будет равна скорости света с.

Этот факт, не согласующийся с нашим повседневным опытом, является фундаментальным предположением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Почему это кажется нам странным и противоречит нашему опыту? Просто в повседневной жизни мы не сталкиваемся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Такие скорости достижимы для тел с очень малой массой. Эксперименты с частицами, такими как электроны, протоны или атомные ядра, ускоренные в ускорителях до скоростей, близких к скорости света, подтверждают постоянство скорости света в любой системе отсчета.

Рис. 2. Фотон, испущенный ракетой, летящей со скоростью v = 0,9c, движется со скоростью c, как относительно ракеты, так и относительно неподвижного наблюдателя

Энергия фотона

Фотоны движутся в вакууме со скоростью света c. Поэтому для определения его энергии нужна теория относительности. Это следует из релятивистской взаимосвязи между массой, энергией и импульсом.

E 2 = p 2 * c 2 + m 2 * c 4

В этой формуле E означает энергию, p — импульс, m — массу, а c — скорость света. Если задать m = 0, то получится следующая взаимосвязь между импульсом и энергией E = p * c.

Поскольку фотон является квантом, то можно выразить его скорость и, следовательно, импульс через его частоту или длину волны. Это дает вам взаимосвязь между частотой и энергией: E = ħ * ω = h * f = h * c / λ .

В этой формуле f — частота фотона, ω = 2 * π * f — его угловая частота, h — обычная постоянная Планка, ħ = h / 2 * π — приведённая постоянная Планка и λ — длина волны фотона.

Рис. 3. Фотоны фиолетового света имеют самую высокую энергию, а фотоны красного света — самую низкую. [источник: 彭家杰 [CC BY 2.5], через Wikimedia Commons].

Постоянная Планка, входящая в формулу, является физической константой, характерной для микромира. В соответствии с решением Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) от 16 ноября 2018 года, её величина определяется точно, т.е. без погрешности, и составляет: h = 6,62607015⋅10 −34 кг·м 2 ·с −1 (Дж·с).

Единицей энергии фотона является джоуль (Дж), но очень часто используется альтернативная единица — электронвольт (эВ). Один электрон-вольт — это энергия, полученная электроном, ускоренным напряжением в 1 вольт (В). Для перевода 1 эВ в джоули достаточно умножить величину элементарного заряда e, т.е. 1,602 * 10 -19 Кл, на один вольт, то есть 1 эВ = 1,602 * 10 -19 Дж.

Поэтому постоянная Планка может быть выражена в эВ. Она составляет 4,135 667 669 …. * 10 -15 эВ * с (для расчётов часто используют округленное значение h = 4,14 * 10 -15 эВ * с ).

Насколько велика энергия фотона? Определим, например, энергию фотонов, испускаемых гелий-неоновой лазерной указкой с длиной волны 633 нм.

E = 6,62607015⋅10 −34 * 3 * 10 8 / 633*10 -9 ≈ 3,14 * 10 -19 Дж .

Это значение можно хранить в гораздо более удобной форме в электронвольтах: E = 3,14 * 10 -19 / 1,602 * 10 -19 ≈ 1,96 эВ .

Типичные энергии в макромире — например, кинетическая энергия мяча, брошенного с высоты 1 м, непосредственно перед ударом об асфальт — порядка 1 Дж, то есть порядка 10 19 эВ. Энергии фотонов значительно меньше. Давайте сравним 1 Дж с энергией процесса, характерного для микромира, например, с энергией, выделяемой при полном сгорании одной молекулы метана в кислороде. Энергия сгорания метана составляет 891,6 кДж/моль, что после деления на постоянную Авогадра, составляет: E = ( 891,6 кДж/моль ) / ( 6,02214076⋅10 23 моль −1 ) = 14,8 * 10 -19 Дж = 9,2 эВ .

Полученное значение, как видно, того же порядка, что и энергия фотона, испускаемого гелий-неоновым лазером.

Следует помнить, что энергия фотонов зависит от частоты электромагнитного излучения, которая может принимать значения от единиц кГц для радиоволн до порядка 10 24 Гц для гамма-излучения. Поэтому энергия фотонов может составлять от 10 -12 эВ до 10 9 эВ.

Фотоны, принадлежащие к различным областям электромагнитного спектра, имеют энергию, отличающуюся друг от друга даже на несколько порядков.

Импульс фотона

Как уже упоминалось, теория относительности связывает импульс с энергией. Это важно для фотона, поскольку он движется со скоростью света, т.е. релятивистски.

Зная, что E = h * c / λ , и p = ħ * k , где k = 2 * π / λ — угловое волновое число, в итоге получаем: p = ħ * k = h * f / c = h / λ .

Возникновение фотона

Фотоны создаются различными способами. Наиболее распространенным способом наблюдения генерации фотонов является переход электронов в другие энергетические состояния. Это происходит, например, когда электрон в электронной оболочке атома переходит на более высокий уровень. Этот уровень нестабилен, и электрон через некоторое время возвращается обратно в исходное состояние.

Однако, на высоком уровне было больше энергии, чем на исходном. Эта избыточная энергия излучается в виде фотона. Но фотоны также могут испускаться в виде гамма-излучения во время ядерных переходов или реакций аннигиляции в частицах-античастицах. С помощью правильных измерительных приборов можно обнаружить присутствие таких фотонов.

Запутанные фотоны

Фотоны могут быть запутаны относительно их поляризации или направления полета. Поляризация дает вам информацию о направлении колебаний электромагнитной волны. Это означает, что если вы измеряете поляризацию одной из этих частиц, вы знаете поляризацию другой.

В случае направленного излучения, т.е. излучения, возникающего при встрече античастиц и частиц, образуются запутанные фотоны. Эти два фотона запутаны в своем направлении и поляризации. В медицине это свойство используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Применение фотонов

Фотоны используются во многих областях. Одним из самых распространенных и наиболее важных применений является лазер.

Одиночные фотоны могут быть обнаружены различными методами. Одним из старейших методов является использование фотоумножителя. При этом используется фотоэлектрический эффект. Фотон с достаточной энергией попадает на металлическую пластину. Там он выбивает электрон из связи, что запускает каскадный эффект.

Рис. 4. Внешний фотоэффект. В фотоэлектрическом явлении свет проявляет корпускулярную природу — фотон выбивает одиночный электрон из металла.

Чем фотон отличается от других частиц

Жизнь продолжается.

О Сущности,
Разуме
и многом другом.

О	Физике	Клетки,
Физике	Мозга,
Физике	Энергии

Фотон – частица или волна?

На одном из КС рассматривалась вторая часть статьи «Диалектика, как ключ Познания» Кондракова И.М. и Шариповой С.Н. «Волновая модель эволюции систем». Для лучшего понимания всего материала, участникам КС было предложено домашнее задание, решить которое необходимо было с помощью предложенного в статье алгоритма анализа развития систем.

Домашнее задание: Общепринято, что свет — это электромагнитная волна, и в то же время — это квант, частица, сгусток энергии. Представьте себе, что электрон «перешел» с одной орбиты на другую. При этом он излучил квант света (порцию электромагнитной энергии) — одноразовый акт. Все: фотон полетел, как «шарик» — никакой волны нет. Или: электрон «поглотил» один квант света. От этого он несколько «распух». Это также разовый акт. А теперь представим себе, что электрон бегает с орбиты на орбиту и излучает каждый раз квант света. Весь этот процесс во времени можно представить в виде волны (с точки зрения математики). Представление о свете — волне и есть его математическая модель. Получается, что в одном случае квант света — «шарик», а в другом — волна. По Лучину А.А. фотон — это частица из электрической материи, имеющая скорость, равную скорости света. Фотон в нейтринном микроскопе представляется таким, как на фото:

А на самом деле, что может представлять собой квант света? Используя алгоритм, попытайтесь найти ответ.

Вот как это пояснено в «Неоднородной Вселенной»: Гибридная материя АВСDEFG — физически плотное вещество — находится в состоянии мерцания, которое является пограничным состоянием физически плотной материи и есть ни что иное, как так называемый, электрон. Именно поэтому электрон обладает дуальными (двойственными) свойствами, как волны, так и частицы. В принципе электрон не является ни одним, ни другим, а является пограничной формой материи.

Дело в том, что наличие электрона создаёт зону стоячей волны на данной электронной (разрешенной) «орбите» атома. После «смерти» электрона, эта зона становится неустойчивой активной, так как уровень собственной мерности этой зоны становится выше уровня собственной мерности атома в целом.

Возникший таким образом микроскопический перепад мерности создаёт «ловушку для фотонов» реликтового излучения. А теперь проанализируем ситуацию с помощью алгоритма анализа развития систем.

Алгоритм анализа развития систем с помощью законов диалектики:

1. Выбрать объект исследования для анализа его развития.

Фотон — квант света: он и частица — шарик с радиусом r _ф

10 -18 м, от которого расходятся во все стороны жгутики на расстояние 10 -13 м, и волна, длиной λ = с/ν. Фотон состоит из электрической материи.

2. Выявить связи с окружающим его миром: ближайшие (с системных позиций) и дальние связи (убывающие или усиливающиеся с переходом на более высокий или более низкий уровень).

По концепции А.А. Лучина фотон является «содержимым» электрона и проявляется при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой, отражая одноактный процесс: происходит торможение электрона и за счет сил инерции магнитные и электрические частицы — кванта света выбрасываются из него в виде фотона (электрическая материя) со скоростью света и магнитной частицы со скоростью, зависящей от её массы. При этом электрон связан с магнитным ядром атома жгутиками (цепочка из чередующихся фотонов и магнитных частиц), удерживающими его на «орбите» (разрешенном уровне). И в самом электроне электрические частицы — фотоны — связаны с биполярными магнитными частицами, находящимися в его ядре и на несколько порядков их масса больше массы фотонов. Конструкция фотона внешне похода на конструкцию электрона.

Если электрон «бегает» с орбиты на орбиту туда-сюда, он выбрасывает электрические и магнитные частицы из себя в первой части акта излучения и поглощает другие — во второй части этого акта. Данный процесс можно описать как колебательный, используя наиболее удобную для этого МАТЕМАТИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ гармонического процесса, которая в любом случае будет далека от реальной. Согласно парадигме, Лучина А.А. электрон должен быть связан жгутиками с ядром атома, тормозящими его движение. При этом он существует как цельное образование. Тогда как по концепции Н.В. Левашова, электрон при прохождении волны реликтового излучения «рождается» и «погибает» в одном месте, а далее может вновь «родиться» в новом месте при определенных условиях. А по концепции А.М. Хатыбова можно считать, что электрон перед «рождением» находится в неинерционном состоянии, а после «рождения» – в инерционном.

3. Выявить главную (полезную для искусственных систем) функцию развития (существования) анализируемого объекта.

Квант света излучается или поглощается для стабилизации альбедо системы и «соблюдения» требований закона сохранения энергии, т.е. для гармонизации системы. Происходит перераспределение энергий в системе, но в целом она находится в равновесии с остальной частью – надсистемой.

4. Определить тождественное («старые» его свойства) и отличительное (то новое, что необходимо внести в его свойства или качества, чтобы объяснить его поведение в тех или иных условиях) в объекте, т.е. выявить противоположности, тенденции развития и т.п. в объекте.

Здесь могут возникнуть несколько задач, разберем две из них, связанные с парадигмами Левашова Н.В. и Лучина А.А.:

Гамма-излучения кратковременно создают дополнительное искривление микропространства, при котором возникают условия для слияния семи первичных материй нашего типа и синтеза электрона ( Рис. 3.2.9 ) .

Это крайне неустойчивое граничное состояние проявляется в первую очередь в постоянном переходе материи из одного качественного состояния в другое и наоборот, говоря языком Хатыбова А.М., из неинерционного состояния в инерционное. При этом эти качественные состояния связанны с постоянным поглощением и излучением фотонов ( Рис. 3.2.12 и Рис. 3.2.13 ) с длиной волны λ.

Заполняющее пространство реликтовое излучение, как электромагнитное, состоящее из электрической и магнитной материй, которые также должны быть частицами, как кванты света, (и по парадигме Лучина А.А.) и выбрасываться из электрона при излучении атома или втягиваться в электрон при поглощении кванта света. По концепции Лучина А.А. допускается непрерывное существование электрона в инерционном состоянии. Этот процесс, судя по рисункам Н.В. Левашова, происходит плавно, с нарастанием амплитуды волны гамма излучения (мерности), в поле которого синтезируется электрон (рис. К-Ф-0).

Как пишет Н..В. Левашов 1 : «При наличии горизонтального перепада мерности, высвободившиеся при распаде электрона первичные материи , поглотив фотон другой длины волны, могут материализоваться в какой-либо соседней зоне деформации микропространства, существующей вокруг ядра атома. Происходит, так называемый, квантовый переход электрона с одной орбиты на другую. При подобных переходах электроны поглощают и излучают фотоны с различными длинами волн. Это связано с тем, что каждая зона отличается от соседней численной величиной деформации микропространства. Поэтому из-за этого различия «глубины» зон деформации микропространства для возможности материализации электрона необходимы разные дополнительные искривления микропространства, что и осуществляется посредством поглощения фотонов , имеющих разные длины волн и амплитуды».

Иначе говоря, если в этот момент электрон получает дополнительную энергию («пинка»), уменьшая свой уровень мерности, он перейдет на другой — нижний уровень, где мерность пространства будет меньше собственной мерности электрона на величину амплитуды фотона, и распадается, испуская при этом квант света. При поглощении фотона, электрон переходит на верхнюю орбиту, где мерность будет выше его собственной, поэтому он становится неустойчивым и распадается на образующие его первичные материи (ПМ). Этот процесс можно представить так: масса кванта света нарастает до своего максимального значения, а затем теряет её, вначале плавно переводя электрон из неинерционного состояния в инерционное, и далее обратно. В данном случае, фотон — ведет себя как волна: половина периода колебания он нарастает в своей массе, а потом — половина периода — он излучается. Однако это всего лишь очень наглядный математический приём представления процесса излучения, и не более, поэтому его и выбрал Н.В. Левашов для наглядности происходящего процесса.

Между концепциями возникает некоторое противоречие: чтобы соответствовать концепции Лучина А.А., фотон должен быть частицей и излучаться или поглощаться электроном сразу целиком, но, чтобы соответствовать концепции Левашова Н.В., фотон должен быть волной для компенсации недостающей разницы мерности при синтезе физически плотной материи электрона или его масса должна нарастать плавно, т.е. не «целиком».

При поглощении кванта света в виде частицы и излучении его, электрон переходит в свое новое состояние (рис. К-Ф-1 и К-Ф-2).

Таким образом, фотон частица («шарик» — как «чёрт», выскочивший из табакерки), и, в тоже время, ведёт себя, как волна (у которой амплитуда нарастает, а потом спадает). Тогда мы вынуждены признать с одной позиции, что фотон, как система, состоит из большого числа частиц электрической материи (например, в электрон входит 3*10 10 фотонов), чтобы образовывать все многообразие фотонов с разной длиной волны (квантуясь по порциям энергии), т.е. он в свою очередь делим. Или: фотоны с разными массами входят в состав электрона, поэтому излучаются кванты с разными частотами. Следовательно, в первом случае он может поглощать те кванты, которые помогут ему материализоваться, или терять часть своих частиц (квантов) с той же целью — тогда говорят о его «старении» (эффект красного смещения спектра).В этом аспекте фотоны оптического диапазона — особенно интересны, так как они являются на уровне микропространства основой нашей Вселенной .

Тождественные свойства и качества : электрические частицы, образующие фотон, имеют тенденцию к взаимному отталкиванию. Электрические и магнитные частицы обладают свойствами взаимно притягиваться друг к другу, независимо от полюса магнитной частицы. При этом магнитные частицы притягиваются друг к другу разными полюсами.

Отличительные свойства и качества : Рост фотона из частиц электрической материи происходит плавно, волнообразно до следующего акта излучения или поглощения (накопления нужного количества и перехода его в нужное качество) независимо от сил взаимного отталкивания частиц электрической материи. При нарастании массы электрона во время прохождения реликтового (жесткого) излучения, несущего ПМ G преимущественно из магнитных частиц, которые и формируют ядро электрона, притягивая к себе электрические частицы — фотоны, синтезированные из 6-ти разных ПМ, входящих в электромагнитный спектр с соответствующим коэффициентов квантования. Но магнитные частицы, как имеющие большую массу и свойство проникать через любые преграды, по инерции продолжают свое движение дальше, «разрушая» тем самым народившийся электрон. Можно предположить, что магнитные частицы в своей основе также состоят из электрических, образующих биполярную частицу . Здесь появляется еще одна задача, связанная с формированием биполярных частиц из электрической материи. Можно проследить и эту линию развития биполярных частиц, пока представленную в виде рабочей гипотезы.

5. Выявить причины, т.е. то, что мешает противоположностям (тождественным и отличительным свойствам) быть в гармонии?

1. Фотон — частица — локализован в ограниченном пространстве, он имеет «ядро», от которого во все стороны исходят жгутики, обеспечивающие свойство отталкивания , а фотон — волна — «размазан» по пространству между энергетическими уровнями атома (рис. 3.2.12 и 3.2.13.).
2. Чтобы быть частицей, фотон должен быть локализован в ограниченном пространства (быть «шариком» с щупальцами) и при этом силы отталкивания между частицами должны быть намного слабее, сил, объединяющих их в ядро фотона. Но, чтобы быть волной, он не должен быть локализован в ограниченном пространстве, т.е. должен быть как бы «размазан» между двумя энергетическими уровнями атома, при этом должно быть нечто (назовем его Х-элементом ), удерживающее электрические частицы в этом пространстве против сил отталкивания. При этом нужно помнить, что щупальцы электрического поля состоят из фотонов и магнитных частиц 2 , причем значительно меньших по размерам и массе, чем сам «центральный» фотон, от которого исходят эти щупальцы. Или: если все частицы примерно одного размера, то фотон должен представлять собой образование, в котором постоянно происходит перераспределение частиц (электрических и магнитных), сохраняющее форму «шарика».

6. Сформулировать И деальный К онечный Р езультат (ИКР) для данного объекта после единения тождественного и отличительного : исследуемый объект САМ устраняет противоречивые свойства, приобретая требуемые, и сохраняя при этом возможность выполнять прежние полезные свойства (действия).

1. ИКР: Фотон САМ устраняет свойство отталкивания (Д₁) друг от друга электрических частиц при своем образовании, сохраняя свойства отталкивания (Д₂) от себе подобных после образования фотона.

Или:

2. ИКР : Х-элемент в фотоне САМ устраняет взаимное отталкивание частиц электрической материи (Д₁) при образовании фотона или волны, сохраняя их способность проявлять отталкивающие свойства сформированных фотонов (корпускулярные или волновые свойства) (Д₂).

7. Выделить противоположности и сформулировать из них противоречие ( Н аучное П ротиворечие, Т ехническое П ротиворечие или Ф изическое П ротиворечие, или Ф изическую Н есовместимость): Чтобы исследуемый объект выполнил действие Д₁, он должен обладать свойство С, но, чтобы он выполнил действие или требования Д₂, он должен обладать свойством не-С .

1. ФП: Чтобы фотон сам устранял отталкивающие свойства (Д₁) при его образовании, он должен быть электрически нейтральным (С), но, чтобы он после образования имел свойства отталкивания (Д₂), он не должен быть электрически нейтральным (не-С).

Здесь можно сформировать целую цепочку противоречий, например, чтобы фотону быть электрически нейтральным, составляющие его части должны компенсировать электрические поля друг друга (например, фотон и антифотон), и не должны компенсировать поля друг друга, чтобы при синтезе фотона иметь свойство отталкиваться от себе подобных частиц. И т.д., создавая физические модели, удовлетворяющие требованиям противоречия.

2. Чтобы Х-элемент устранил взаимное отталкивание (Д₁) частиц электрической материи при формировании фотона, он должен обладать сильными притягивающими (объединительными) свойствами (С₁), но, чтобы после формирования фотона проявлялись свойства отталкивания (Д₂), он не должен проявлять свойства притягивать (быть нейтральным) электрические частицы (не-С₁).

8. Найти прием или закономерности развития, с помощью которых противоречие будет устранено.

Фотон существует от времени его излучения до времени его поглощения. Придумывать еще какие-то частицы специально для решения поставленной задачи, излишне. Нужно использовать природные ресурсы, которыми обладает окружающее пространство. А в нем имеются различные первичные материи в виде электрических и магнитных частиц. Здесь можно использовать прием: Разделение несовместимых свойств системным переходом-1 : пусть система обладает свойством С , а надсистема, включающая данную систему — свойством не-С . Или же пусть в целом система будет обладать свойством С , а подсис нтемы — свойством не-С . Пусть фотон, вернее его электрическая материя, при формировании обладает свойством притягивания к его ядру, а после образования приобретает свойство отталкивания. Притягивание при образовании фотона обеспечивает магнитная частица (других нет), к которой притягиваются частицы электрической материи. Разные магнитные частицы формируют разные фотоны (по массе). Отсюда и шкала электромагнитных волн, предложенная А.А. Лучиным.

Аналогичное решение дает и следующий прием.

1. Разделение несовместимых свойств системным переходом-1: пусть система обладает свойством С, а надсистема, включающая данную систему — свойством не-С. Или же пусть в целом система будет обладать свойством С, а подсистемы — свойством не-С .

Фотон является электрической частицей, обладающей свойством отталкиваться от себе подобных, а подсистема — её ядро (из магнитной частицы) — свойством притягивать к себе электрические частицы.

9. Записать полученное решение.

Фотон представляет собой систему, в которой ядро состоит из магнитной частицы, притягивающей к себе электрические. Как известно из парадигмы Лучина А.А., магнитные частицы могут быть разными по массе и размерам, отсюда и разный набор электромагнитных излучений в спектре: проявление закона перехода количественных изменений в качественные. Надо полагать, что и магнитные частицы должны быть сформированы из эл. материи, т.к. природа использует те ресурсы, которые имеются в конкретном процессе, т.е. она не изобилует излишествами, к тому же законы микро- и макроуровня едины. При этом более высокий иерархический уровень организуется из элементов более низкого иерархического уровня (см. волновую модель системы).

При больших скоростях электрона и его торможении, он испускает электромагнитное излучение (ЭМИ), при этом из него выбрасываются магнитные частицы, характеризующие жесткое, например, рентгеновское излучение, а остаются фотоны. Да и сами фотоны при встрече с преградой, отталкиваются от электрического слоя, создаваемого поглощенными фотонами, покрывающего любое вещество, а магнитные частицы, как имеющие большую массу и, следовательно, инерцию, проникают сквозь эту преграду, что может быть обнаружено экспериментально. Разделив электромагнитное излучение на поток фотонов (организуя преграду) и поток магнитных частиц, можно направить его на свободно подвешенный на нити магнит, который должен будет притягиваться к этому потоку (рис. К-Ф-3). Для проведения этого эксперимента нужно жесткое излучение, т.к. «мягкое» не позволяет однозначно сделать вывод.

Могут быть и другие способы проверки рабочей гипотезы.

10 . «Пропустить» полученное решение по «волне» моно-би-поли-сложные системы, рассмотрев следующие линии развития:

Например, пропустим полученное решение по цепочкам развития:

• фотон (эл. материя) → фотон + магнитная частица = электромагнитное излучение → 3*10 10 фотонов и магнитных частиц = электрон → атом (много магнитных частиц — ядро + много электронов + жгутики (магнитные частицы + фотоны) → .. .
• Фотон→ фотон’→ фотон’’+ разные магнитные частицы (по массе) →…
• Фотон → частица электрической материи со свойствами фотона → элементарные частицы, из которых состоит фотон→…

11. Учитывая, что с позиций диалектики каждому объекту должен соответствовать антиобъект, т.е. рассмотреть тождество противоположностей (гармонию), которая выражается общей формулой:

А есть не-А

где противоположность А относится к Системе, а не-А — к анти-Системе.

Проанализировать противоположность не-А по вышеприведенной схеме.

Следовательно, в рамках приведенных рассуждений следует, что каждому фотону должен соответствовать, назовем условно, антифотон. Это может быть также предметом анализа антифотона с позиций, приведенных выше.

12. Сформулировать новые представления о системе.

Фотон — квант света: он частица — «шарик» с радиусом r _ф

10 -18 м, от которого расходятся во все стороны жгутики на расстояние 10 -13 м., состоит из частиц электрической материи, привязанных к ядру из магнитной частицы. Фотон делим так же, как и электрон. Каждый фотон представляет собой микроскопическое искривление пространства, насыщенное какой-либо одной первичной материей. Он, как цельный объект, плавно поглощается (выбрасывается) пространством, где мерность такова, что при появлении (исходе из него) в нем фотона, будет синтезирован электрон с новыми параметрами. Здесь сам процесс может быть описан математически, как гармонический, вот с этих позиций фотон как бы проявляет волновые свойства. Фотон, как материальный объект, должен иметь свой антипод в виде антифотона. Таким образом, противоречий между концепциями Н.В. Левашова, А.А. Лучина и А.М. Хатыбова нет, т.к. каждая рассматривает исследуемый объект на разных уровнях его организации.

1 Н. Левашов. Неоднородная Вселенная.

2 Лучин А.А. Физические поля: Материалистическая концепция классической физики. ЛЕНАНД. 2012, С. 14.

Фотон

На 99,99% вся видимая нами Вселенная описывается электромагнитным фундаментальным взаимодействием. Простыми словами – все, что мы наблюдаем, с чем мы сталкиваемся и воспринимаем – проявления электромагнетизма. А значит все эти процессы можно свести к двум частицам – электрону и фотону, как переносчику электромагнитных волн.

В авангардной физике сейчас даже существуют гипотезы, что абсолютно все частицы и поля можно свести к фотонам. Один из аргументов – при аннигиляции любых частиц образуется пара гамма-квантов, высокоэнергетичных фотонов. Давайте же разберемся, что это за фундаментальная частица, фотон, и какие он имеет свойства?

Немного истории

Средневековье ознаменовалось таким громким и неоднозначным научным диспутом,

Ярым сторонником волновой гипотезы был Христиан Гюйгенс

как корпускулярно-волновой дуализм света. Ученые того времени никак не могли сойтись – свет представляет собой поток частиц или же волны? И у сторонников первой, и второй идеи были свои аргументы. Ярым сторонником волновой гипотезы был Гюйгенс, а корпускулярной – колосс Ньютон.

После долгих споров и поломанных копий, первенство взяла корпускулярная гипотеза. Хоть доводов было примерно поровну (возможно, у “волновиков” их было даже больше), к ней склонились из-за огромного авторитета Исаака Ньютона, отца современной физики и вообще – научного метода познания мира.

Триумф корпускулярной гипотезы длился порядка 200 лет, пока досконально не исследовали дифракцию и интерференцию света. А эти явления, как известно, присущи только волнам. В итоге к концу 19-го века первенство опять захватили “волновики” и сомнений уже почти не было.

В начале двадцатого века Альберт Эйнштейн начал изучать фотоэффект

Пока в начале двадцатого века Альберт Эйнштейн не начал изучать фотоэффект, а Макс Планк – энергию абсолютно черного тела. Ведь если бы свет был волнами – формулы говорили, то энергия абсолютно черного тела равна бесконечности! В результате изучения этих парадоксов и изучения дуализма – родились главные теории современной физики – квантовая механика и теория относительности.

Сегодня мы знаем, что фотон, как и другие квантовые системы – строго говоря, не является ни частицей, ни волной в нашем узком понимании. Вернее, он проявляет и те и другие свойства, и вопрос – свет волна или частицы, не имеет смысла. Квантовые системы проявляет свойства частиц или волн в зависимости от обстоятельств, это фундаментальное свойство нашей Вселенной.

Физические свойства фотона

Фотон – это бесмассовая частица (не имеет массы покоя), не имеющая электрического заряда, он может существовать только передвигаясь со скоростью света. В квантовой электродинамике фотон относится к калибровочным бозонам (частицы, имеющие целый спин). Простыми словами – он является переносчиком фундаментального электромагнитного поля. Несмотря на это, полная энергия фотона рассчитывается в зависимости от частоты колебаний. Самые низко энергетические частицы имеют маленькую частоту (например, радиоволны), и высоко энергетические – большую частоту (рентгеновское и гамма излучение). Данная зависимость, соответственно, обратно пропорциональна длине волны.

Фотон явно или косвенно участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Кроме электромагнетизма – это сильное (фоторождение пи-мезонов) и гравитационное отклонение света.

Следует отметить, что фотон стоит особняком от остальных элементарных частиц. Во-первых, это истинно нейтральная незаряженная частица. То есть, он не имеет своего анти-партнера даже гипотетически, принципиально. Во-вторых, нулевая масса фотона породила многолетние споры – так уж она полностью ли она нулевая? В итоге все-таки оказалось, что полностью.

Интересные факты и эксперименты с фотонами

Когда в начале 20 го века начала зарождаться квантовая механика, уже было известно, что в веществе существует так называемое спонтанное излучение. То есть, любой объект, состоящий из атомов и поглощающий свет – точно также излучает его. Механизм спонтанного излучения сформировали Дирак и Эйнштейн. Оказалось, что когда атом поглощает фотон, его электрон переходит на новый уровень, а перейти из этого нового “возбужденного” состояния он может тоже только излучив фотон.

Эйнштейн, работая с этими процессами поглощения и излучения света веществом, заметил очень интересную вещь. Оказывается, если атомы вещества привести в возбужденное энергетическое состояние заранее и облучать их светом – происходит цепное “клонирование” фотонов и формируется вынужденное (индуцированное) излучение. Теоретически его предсказал Эйнштейн, а позже этот механизм смогли реализовать на практике – так появились лазеры и мазеры.

Кратко механизм можно описать так – если атом в верхнем возбужденном состоянии поглощает фотон, он испускает его в таком же направлении, фазе, поляризации и импульсе, как и поглощенный. В результате образуется “лавина” одинаковых и однонаправленных фотонов – когерентное излучение.

Как упоминалось выше, интересная ситуация возникла с массой покоя фотона. Несмотря на то, что формулы квантовой механики говорили, что она “обязана” быть равной нулю, сомнения все же оставались. Пока не провели эксперимент, который показал, что если бы масса покоя у фотона была (пусть даже ничтожно мала) – на ночном небе галактики были бы размыты из-за дисперсии света в вакууме.

Еще одну уникальную вещь заметил все тот же гений Эйнштейна. Он предположил, что если бозоны (а фотон, как мы помним, бозон) охладить почти до абсолютного нуля – все частицы перейдут в состояние с минимально возможной энергией и образуется новый вид материи. Этот вид назвали конденсат Бозе-Эйнштейна.

Сейчас уже экспериментально получен конденсат для многих видов бозонов, в том числе и фотонов. Одними из многих присущих ему свойств являются сверхтекучесть и сверхпроводимость. С этими явлениями ученые связывают большие надежды в развитии технологий и науки в целом.

И напоследок рассмотрим такой интересный факт, как вклад фотонов в массу системы. Парадоксально, но безмассовые частицы вносят свою лепту в суммарную массу макроскопического объекта. Ее можно считать энергией молекулярных связей между электронами атомов. Ведь, если система испустит фотон, ее энергия уменьшится, а по формуле Е=мс2, соответственно, и масса.

Фотон

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются буквой γ.

Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами.

Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Физические свойства фотона [ ]

Фотон — безмассовая нейтральная частица. Спин фотона равен 1 (частица является бозоном), но из-за нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является спиральность, проекция спина частицы на направление движения. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной ± 1 . Этому свойству в классической электродинамике соответствует циркулярная поляризация электромагнитной волны.

Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретических обоснованиях (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния). Поэтому скорость фотона, как и скорость любой безмассовой частицы, равна скорости света. По этой причине (не существует системы отсчёта, в которой фотон покоится) внутренняя чётность частицы не определена. Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» (термин ныне выходит из употребления) исходя из соотношения m = E c 2 >>> , то она составит m = h ν c 2 >>> . Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице), поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна −1. Вследствие закона сохранения зарядовой чётности и её мультипликативности в электромагнитных процессах невозможно превращение чётного числа фотонов в нечётное и наоборот (Теорема Фарри).

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.

Фотон проводит часть времени как виртуальная частица векторный мезон или как виртуальная пара адрон-антиадрон. За счёт этого явления фотон способен участвовать в сильных взаимодействиях. Свидетельством участия фотона в сильных взаимодействиях являются процессы фоторождения π — мезонов на протонах и нейтронах, а также множественное образование нуклонов на протонах и ядрах. Сечения процессов фоторождения нуклонов на протонах и нейтронах очень близки друг к другу. Это объясняется тем, что у фотона есть адронная составляющая, за счёт чего фотон участвует в сильных взаимодействиях.

Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны λ и направление распространения.

Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.

Если энергия фотона равна E — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой E 2 = c 2 p 2 + m 2 c 4 =c^ p^ +m^ c^ > , как показано в специальной теории относительности.

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты ν (или, что эквивалентно, от длины волны λ = c / ν ) — постоянная Планка, равная h / 2 π — его величина (волновое число); ω = 2 π ν . Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δ x , которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью Δ x , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики: \Delta x \sim \frac , где θ — апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты Δ x можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны λ падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна Δ p . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла θ , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа

n фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы φ этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

\Delta n\Delta \varphi >1> .

И фотоны, и частицы вещества (электроны, нуклоны, ядра, атомы и т. д.), обладающие массой покоя, при прохождении через две близко расположенные узкие щели дают похожие интерференционные картины. Для фотонов это явление можно описать с использованием уравнений Максвелла, для массивных частиц используют уравнение Шрёдингера. Можно было бы предположить, что уравнения Максвелла — упрощённый вариант уравнения Шрёдингера для фотонов. Однако с этим не согласны большинство физиков. С одной стороны, эти уравнения отличаются друг от друга математически: в отличие от уравнений Максвелла (описывающих поля — действительные функции координат и времени), уравнение Шрёдингера комплексное (его решением является поле, представляющее собой, вообще говоря, комплексную функцию). С другой стороны, понятие вероятностной волновой функции, которая явным образом входит в уравнение Шрёдингера, не может быть применено по отношению к фотону. Фотон — безмассовая частица, поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения. Формально говоря, фотон не может иметь координатное собственное состояние | r ⟩ \rangle > и, таким образом, обычный принцип неопределённости Гейзенберга в виде Δ x Δ p ∼ h к нему неприменим. Были предложены изменённые варианты волновой функции для фотонов, но они не стали общепринятыми. Вместо этого в физике используется теория вторичного квантования (квантовая электродинамика), в которой фотоны рассматриваются как квантованные возбуждения электромагнитных мод.

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна [ ]

Квантовая статистика, применяемая к системам частиц с целочисленным спином, была предложена в 1924 году индийским физиком Ш. Бозе для квантов света и развита А. Эйнштейном для всех бозонов. Электромагнитное излучение внутри некоторого объёма можно рассматривать как идеальный газ, состоящий из совокупности фотонов, практически не взаимодействующих друг с другом. Термодинамическое равновесие этого фотонного газа достигается путём взаимодействия со стенками полости. Оно наступает тогда, когда стенки излучают в единицу времени столько же фотонов, сколько поглощают. При этом внутри объёма устанавливается определённое распределение частиц по энергиям. Бозе получил планковский закон излучения абсолютно чёрного тела, вообще не используя электродинамику, а просто модифицировав подсчёт квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве. В частности, было установлено, что число фотонов в абсолютно чёрной полости, энергия которых приходится на интервал от ε — постоянная Дирака, T — температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ: объёмом, температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление

P на стенки, так как фотоны обладают импульсом. Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

\sigma > — постоянная Стефана — Больцмана.

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия», сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера. В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе — Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия. В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а фермионы, например, электроны, — статистике Ферми — Дирака.

Спонтанное и вынужденное излучение [ ]

Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики.

В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:

1. Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
2. При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

Кроме того, полагалось, что излучение и поглощение света атомами происходит независимо друг от друга и что тепловое равновесие в системе сохраняется за счёт взаимодействия с атомами. Рассмотрим полость, находящуюся в тепловом равновесии и заполненную электромагнитным излучением, которое может поглощаться и излучаться веществом стенок. В состоянии теплового равновесия спектральная плотность излучения ρ ( ν ) , зависящая от частоты фотона ν , в среднем не должна зависеть от времени. Это означает, что вероятность излучения фотона любой данной частоты должна быть равна вероятности его поглощения.

Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость R j i > поглощения фотонов частоты ν и перехода атомов с энергетического уровня E j > на вышележащий уровень с энергией E i пропорциональна числу N j > атомов с энергией E j > и спектральной плотности излучения ρ ( ν ) для окружающих фотонов той же частоты:

R j i = N j B j i ρ ( ν ) > — константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции R i j > , характеризующая излучение системой фотонов частоты ν и переход атомов с вышележащего уровня энергии E i на нижележащий с энергией E j > — коэффициент спонтанного излучения, B i j > — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии i в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины R j i > должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:

g_ > — кратность вырождения энергетических уровней i > — энергия этих уровней, k — постоянная Больцмана, T — температура системы. Из сказанного следует вывод, что g i B i j = g j B j i называют коэффициентами Эйнштейна.

Эйнштейну не удалось полностью объяснить все эти уравнения, но он считал, что в будущем станет возможным рассчитать коэффициенты A i j > , когда «механика и электродинамика будут изменены так, чтобы соответствовать квантовой гипотезе». И это действительно произошло. В 1926 году Поль Дирак получил константу B i j > , используя полуклассический подход, а в 1927 успешно нашёл все эти константы, исходя из основополагающих принципов квантовой теории. Эта работа стала фундаментом квантовой электродинамики, то есть теории квантования электромагнитного поля. Подход Дирака, названные методом вторичного квантования, стал одним из основных методов квантовой теории поля. Следует отметить ещё раз, что в ранней квантовой механике только частицы вещества, а не электромагнитное поле, трактовались как квантовомеханические.

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица.Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности. Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.

Вторичное квантование [ ]

Различные электромагнитные моды (например, изображённые на рисунке) могут быть рассмотрены как независимые квантовые гармонические осцилляторы. Каждый фотон соответствует единичной энергии E = h ν в своей электромагнитной моде.

В 1910 году Петер Дебай получил формулу Планка, исходя из относительно простого предположения. Он разложил электромагнитное поле в абсолютно чёрной полости по Фурье-модам и предположил, что энергия каждой моды является целым кратным величины h ν — соответствующая данной моде частота. Геометрическая сумма полученных мод представляла собой закон излучения Планка. Однако, используя этот подход, оказалось невозможным получить верную формулу для флуктуаций энергии теплового излучения. Решить эту задачу удалось Эйнштейну в 1909 году.

В 1925 году Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан дали несколько иную интерпретацию дебаевского подхода. Используя классические представления, можно показать, что Фурье-моды электромагнитного поля — полная совокупность электромагнитных плоских волн, каждой из которых соответствует свой волновой вектор и своё состояние поляризации, — эквивалентны совокупности невзаимодействующих гармонических осцилляторов. С точки зрения квантовой механики, энергетические уровни таких осцилляторов определяются соотношением E = n h ν — частота осциллятора. Принципиально новым шагом стало то, что мода с энергией E = n h ν рассматривалась здесь как состояние из n фотонов. Этот подход позволил получить правильную формулу для флуктуаций энергии излучения абсолютно чёрного тела.

В квантовой теории поля вероятность наступления события вычисляется как квадрат модуля суммы амплитуд вероятностей (комплексных чисел) всех возможных способов, которыми это событие может реализоваться, как на диаграмме Фейнмана, изображённой здесь.

Поль Дирак пошёл ещё дальше.[83][84] Он рассматривал взаимодействие между зарядом и электромагнитным полем как небольшое возмущение, которое вызывает переходы в фотонных состояниях, изменяя числа фотонов в модах при сохранении полных энергии и импульса системы. Дирак, исходя из этого, смог получить коэффициенты Эйнштейна A i j > из первых принципов и показал, что статистика Бозе — Эйнштейна для фотонов — естественное следствие корректного квантования электромагнитного поля (сам Бозе двигался в противоположном направлении — он получил закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела, постулировав статистическое распределение Бозе — Эйнштейна). В то время ещё не было известно, что все бозоны, включая фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.

Рассмотренный Дираком второй порядок приближения в рамках теории возмущений вводит понятие виртуального фотона, кратковременного промежуточного состояния электромагнитного поля. Электростатическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством обмена такими виртуальными фотонами. В таких квантовых теориях поля амплитуда вероятности наблюдаемых событий вычисляется путём суммирования по всем возможным промежуточным путям, в том числе даже нефизическим; так, виртуальные фотоны не обязаны удовлетворять дисперсионному соотношению E = p c , выполняющемуся для физических безмассовых частиц, и могут иметь дополнительные поляризационные состояния (у реальных фотонов две поляризации, тогда как у виртуальных — три или четыре, в зависимости от использующейся калибровки). Хотя виртуальные частицы и, в частности, виртуальные фотоны не могут наблюдаться непосредственно, они вносят измеримый вклад в вероятность наблюдаемых квантовых событий. Более того, расчёты во втором и высших порядках теории возмущений иногда приводит к появлению бесконечно больших значений для некоторых физических величин. Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки. Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму. Например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары. Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера.

Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц, описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов, увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.

В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

|n_ \rangle > представляет собой состояние с числом фотонов n k i > , находящихся в моде k i . Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде k i записывается так:

Фотон как калибровочный бозон [ ]

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.

Вклад фотонов в массу системы [ ]

E=h\nu > , равной энергии этого фотона. В результате масса системы уменьшается (если пренебречь переданным импульсом) на E / c 2 / >> . Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину.

В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.

Фотоны в веществе [ ]

Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем c — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью

c. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света

c, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей

c. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

Похожие публикации:

1. Al62 микросхема подсветки где стоит
2. R050 резистор какое сопротивление
3. Что такое кельвин в освещении
4. Какие автоматические устройства машины и установки применяются

Что общего и чем отличаются фотоны и частицы вещества

Что общего и чем различаются фотоны и частицы вещества? Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. Как научится читать… Подробнее » Что общего и чем отличаются фотоны и частицы вещества

Что общего у магнитного и электрического полей

• автор: admin
• 27.07.2023

Что общего у магнитного и электрического полей электрическое и магнитное поле — особая форма материи существует вокруг зарядов обнаруживается действием на заряды поле имеет силовые… Подробнее » Что общего у магнитного и электрического полей

Что нужно сделать чтобы прекратить удержание электромагнитом железного предмета

• автор: admin
• 27.07.2023

Тест по физике Электромагнитные явления 8 класс Тест по физике Электромагнитные явления для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 4 вариантов в каждом… Подробнее » Что нужно сделать чтобы прекратить удержание электромагнитом железного предмета

Что обозначают буквой n в формуле n 2i

• автор: admin
• 27.07.2023

Уроки 5 — 7Измерение информации (§§ 3 — 4) Сформулируем одно очень важное условие, относящееся к рассмотренным примерам. Во всех ситуациях предполагается, что все возможные… Подробнее » Что обозначают буквой n в формуле n 2i

Что обозначает км в классификации пбу

• автор: admin
• 27.07.2023

Все действующие ПБУ и ФСБУ в 2023 году В 2023 году бухгалтеры ведут учет, опираясь на действующие ПБУ и новые ФСБУ. Подготовили полный список. Самый… Подробнее » Что обозначает км в классификации пбу