Я продолжаю тему о предрассудках в современной физике.
Сегодня я собираюсь вынести на обсуждение следующий вопрос: влияние интенсивности лазерного излучения на форму интерференционной картины когда-нибудь экспериментально исследовалось? Или физики так уверены в том, что подобное влияние отсутствует, что вообще не рассматривали данную проблему?
Цитаты из Википедии:
Дифракция волн – явление огибания волнами препятствий, в широком смысле любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света. Конкретный вид такого распределения интенсивности света в пространстве или на экране, куда падает свет, называется интерференционной картиной.
Объяснение физического явления «привирается» к результатам экспериментов.
После открытия фотонов в начале XX века объяснения явлений дифракции и интерференции света остались старыми, такими, которые давала волновая оптика XIX века.
А между тем выяснилось, что луч света – это не единая волна, а совокупность фотонов.
Кроме того, следует отметить, что источники света, использовавшиеся в опытах XIX века (Солнце, свеча, спиртовая горелка), давали не монохроматическое, неполяризованное и некогерентное излучение. Подобные источники сформировать единую электромагнитную волну были в принципе не способны (принято было считать, что они создают целую совокупность волн), а дифракция и интерференция, тем не менее, в экспериментах наблюдались.
Лазеры, создающие монохроматическое, поляризованное и когерентное излучение, появились только во второй половине XX века.
Возможно, что при достижения определенной интенсивности излучения фотоны действительно образуют некое подобие волны, а что происходит, если интенсивность низкая, расстояние между фотонами велико и они не могут взаимодействовать между собой?
Рассмотрим классический пример – дифракцию света от прямолинейного края полуплоскости. В учебнике Савельева (Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. Савельев И. В., Издательство «Наука», 1971) на странице 126 приведена следующая фотография:
А теперь посмотрим, что получится, если для проведения опыта использовать лазер. Возьмем лазерную указку и перекроем испускаемый указкой луч наполовину, например, при помощи лезвия от безопасной бритвы (необходимо, чтобы край препятствия был ровным).
Указка создает тонкий луч, а дифракционная картина приобретает следующий вид:
В одной из предыдущих статей я поднимал вопрос о размерах фотонов. До сих пор экспериментаторы измеряли только «толщину» фотона и в настоящее время принято считать, что она ограничена длиной волны.
Насколько фотон длинный – никто не знает. Если фотон представляет собой нечто вроде радиоимпульса, то его длина может многократно превышать толщину. Поэтому интенсивность излучения желательно уменьшить настолько, чтобы фотоны не могли взаимодействовать друг с другом даже с учетом того, что их длина больше толщины.
Самые дешевые лазерные указки, выпускаемые «безымянными» производителями, не имеют стабилизатора тока, а включают в свой состав только батарею питания, выключатель, ограничительный резистор и лазерный диод. При всех своих недостатках данная конструкция очень удобна для проведения эксперимента, в котором требуется уменьшить интенсивность излучения: достаточно включить в цепь дополнительный резистор.
В результате световое пятно на экране становится тусклым и четким (в форме полукруга), а дифракционная картина отсутствует:
Комментарии
Опыт работы с интерферометрами показывает, что даже при работе на длинных дистанциях интерференция есть. Лучи расплываются в диаметре до десятков сантиметров, становятся очень тусклыми, но интерферируют, гады.
Меня интересует вопрос, что происходит в одном из самых простых случаев, когда фотоны могут взаимодействовать только либо с краем единственного препятствия, либо между собой.
Они и взаимодействуют. Поскольку обладают волновыми свойствами.
Проблема упирается в размер отдельного фотона.
Когда расстояние между фотонами превышает их размеры, они уже не должны взаимодействовать между собой.
А у них есть размеры?
https://cyberleninka.ru/article/n/o-razmere-i-oblasti-lokalizatsii-fotona
Статьи Филиппа Гранжье в Интернет можно найти только в англоязычном варианте:
Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences
Experiments with single photons
Лично я из этих статей понять, как там один фотон раздваивается, двигаясь двумя разными путями одновременно, не могу.
Квантовую физику вообще нельзя понять обычному человеку - там очень многое не укладывается в рамки обычных представлений. Поэтому лично я восхищаюсь мощью ума великих физиков, способных донести до нас это непостижимое в виде формул, пригодных для практического использования.
Ну, прежде всего, спасибо за оценку нашего ума... Действительно, это было... эмм... достаточно забавно, да.
Так всё-таки, чем является фотон - волной или частицей? Волной...
Да, вот так вот, односложно и однозначно. Локализованной волной... Постойте, но разве локализованная волна не является частицей? Является. И даже рисунки имеюцца...
Не, ну а чего вы хотите? У вас есть система, в которой есть предельная, минимально возможная, длина... она же предельная максимально возможная частота... она же планковская длина... ну-с, и чево вы хочите?
С неизбежностью падающего домкрата вы придёте к заключению, что... ваш мир квантован. Да и как иначе? Как можно было иначе создать наш мир? У вас есть единица, она же 1. Ей вы обозначаете минимально возможную длину... Ну-с, а дальнейшее совсем уж просто... )
Допустим, что фотон – локализованная волна.
Какая у области локализации «длина» и «толщина»?
Насколько «удав» длинный в «попугаях», то есть какова длина области локализации фотона в длинах волн этого фотона?
Хороший вопрос. У фотона может быть разная "длина". Атом излучает фотон в течении 10-10с. Ну-с, вот вам и длина фотона. Стоит только умножить её на скорость света... )
Получится 3 сантиметра.
Экий он длинный, однако.
Да, если мерить в попугаях... тьфу, ты... то ись, в сантиметрах, то так и будет.
Но, это только у излучающих атомов. А теперь попробуйте измерить длину радиофотона!)
ну это прям импульс
А фотон и есть импульс. Импульс электромагнитного излучения. Со всеми вытекающими из этого последствиями.
Это всего лишь значит, что мы не можем "видеть" объектов меньше постоянной планка.
Фотон является квантовым объектом, имеющим как корпускулярные, так и волновые свойства.
Замечательно!
С вашей точки зрения – какая у фотона длина и толщина?
Или вы полагаете, что размер отдельного фотона равен размеру Вселенной?
Дополню, пожалуй. Локализация фотона происходит только в момент его поглощения атомом. Между излучением и поглощением фотон не локализован. Волны вероятности - вот как ещё называют фотоны. И в этом названии сокрыт глубокий смысл.
И всё больше фотон становится похожим на... колесо рулетки. На расширяющееся со скоростью света колесо рулетки.
Рассмотрим для большей наглядности мир на 2-мерной поверхности. Как там будут выглядеть наши сферические поперечные волны? Правильно, как окружности. Как концентрические окружности...
А теперь заставим поверхность колебаться в третьем измерении. Да, это будет выглядеть как круговая волна на поверхности воды. Для обитателей 2-мерной поверхности колебания вверх-вниз в третьем измерении останутся незамеченными. И они с полным основанием могут назвать их виртуальными...
Ну вот, точно так же ведёт себя и фотон. Его волна колеблет все детекторы, через которые он прошёл. Но колеблет в дополнительном измерении. А сработает, то есть, будет колебаться в плоскости поверхности только один из них!)
Кошмар!
Опять получается фотон размером со Вселенную!
Ну, а что вы хотели? Попробуйте измерить спектр реликтового излучения. Помните, как там у Пушкина:
- От Махачкалы до Баку волны плавают на боку,
И обратно бегут валы от Баку и до Махачкалы...
Вот, точно так же ведут себя и фотоны. Возьмём большую картонную коробку. Эта наша Вселенная. Похожа? Ну, а то ж!
Итак, фотонная волна долетает до края и... либо отражается от него, либо проходит насквозь и выходит с противоположного края. Это если Вселенная замкнута. Впрочем, с точки зрения математики эти два случая идентичны.
Отражённая волна накладывается на встречные волны и... происходит интерференция. То есть, какие то частоты гасятся, а какие то усиливаются. Ну и вот, по этому измеренному спектру мы можем судить о форме Вселенной. Да, оказывается у сферы, куба, тора, додекаэдра... какие ещё вы знаете многогранники? впрочем, это не важно... да так вот, оказывается, у всех у них будет свой спектр реликтового излучения.
Единственный и неповторимый, присущий только им!)
Вечером поговорим.)
у Вас некорректная постановка эксперимента. Во первых, эллиптическая форма пятнышка определяется эллиптическим сечением луча, выходящего из лазерного диода- это особенность именно физики генерации излучения в тонкой пленке pn-перехода. Пленка очень тонкая, и не очень широкая, выходной пучок как раз из-за дифракции очень быстро расходится перпендикулярно плоскости перехода и для его фокусировки нужна линза, на выходе из линзы как раз получается эллиптический пучок. во-вторых- Вы пытаетесь дифракционные пики от толстого широкого пучка ловить на экране камерой телефона с ПЗС-матрицей и аппаратно-программным сглаживанием изображения. Лично Вам эта информация ни к чему, но необразованным читателям надо знать, что от широкого пучка излучения, выходящего из лазерного диода эти дифракционные пики будут довольно близко, слегка дрожать и довольно слабыми, поэтому ПЗС-матрица и алгоритмы обработки изображений с нее обнулят слабые сигналы от пиков и оставят только очень мощный сигнал от основного пятна. Кроме того, рассеяние излучения на элементах оптической системы камеры даст дополнительную засветку, кратно превышающую ожидаемый от дифракции сигнал, что, кстати, и видно на приведенных фотках- когда сигнал был сильный на первом фото- по центру видим пересвеченную область, где ПЗС-ка зарядилась до предела, два боковых дифракционных луча- где ПЗС выдала нормальный сигнал, а его потом фильтры загладили, и небольшое еще круглое гало- от рассеяния на линзах и на пыли воздуха. а на последней фотке видим основное пятно от овального луча указки, где ПЗС-ка едва набрала фотончиков для того, чтобы выдать сигнал, и никаких боковых лучей- потому что там сигнал слишком слабый, ПЗС-ка посчитала его шумом, и убрала, а потом еще и фильтры прошлись, и тоже загладили сигнал, а потом еще jpg-кодирование слабые компоненты сигнала выкинуло нафиг. не надо так делать эксперименты. Берите этот же лазер, пускайте его пучок через тонкую дырку в фольге (от иголки, например), чтобы получить тонкий когеррентный круглый пучок, а этот пучок уже пускайте на лезвие бритвочки- тогда будут хорошо разнесенные дифракционные максимумы с приемлемой для наблюдения глазом интенсивностью. Их и сфотать можно будет на большой выдержке.
И еще- на малых токах лазерный диод перестает работать как лазер. генерация срывается, и он превращается в простой тусклый светодиод. даже монохромность исчезает- спектр расползается- поэтому там вообще с наблюдением дифракции непонятное будет.
Оказывается все так запущенно...
ну а что, такова природа лазерных и других излучателей когерентного излучения. те же ик лазеры на СО-трубке, тоже на грани срыва генерации спектр начинает расползаться и после срыва генерации ничего не регистрируется. скорее всего там много мелких пиков, но т.к. полезный сигнал ниже уровня шумов - то ниТБМ нет.
Я использовал фотоаппарат, а не смартфон, но, да, он смазывает картинку: «на глаз» интерференционные максимумы и минимумы в первом случае хорошо видны, а на картинке все сливается. Во втором же случае ни на картинке, ни на глаз дифракционная картина не видна: получается четкий полукруг.
А корректные эксперименты с полуплоскостью и слабым лазерным лучом или «однофотонными» излучателями кто-нибудь когда-нибудь проводил?
Есть ли какой-либо простой способ проверки того, что лазерный диод при уменьшении силы тока все еще работает как лазер, а не светодиод?
В первом эксперименте ток через диод составлял 33 мА, во втором – 2 мА.
Вы использовали ПЗС. Прибор с зарядовой связью, мне пофиг, в смартфоне он был, в телефоне, в камере Edmund Optics или вы просто OV760 голую взяли сами и на низком уровне заюзали- в любом разе это была ПЗС, потому что ни к чему другому у Вас доступа нет, а пленку Вы бы так четко сфотать не смогли- было бы заметно, что это перефотка пленки. Опять же, это не Вам ответ, а тем, кто будет читать нашу переписку и думать, что Вы мне что-то такое умное возразили и типа это как-то там влияет.
есть. светим им на дифракционную решетку и если у нас режим генерации- то после решетки видим четкие красивые пятнышки, а если генерация сорвалась- то эти пятнышки станут размытыми. Потому что в режиме генерации диод дает поток монохроматического излучения, и оно после решетки дает очень узкие пучки под выделенными углами интерференции, а после срыва генерации- поток не монохроматический, и разные длины волн после решетки идут под разными углами, размывая пятна интерференционной картины. но это если мы верим в работу дифракционной решетки, да с редкими и слабыми потоками фотонов да ваще в современной физики, а не в Ваших теориях про мракобесие Максвелла и предрассудки в физике. В них- не знаю, сами придумывайте.
За совет о способе проверки наличия режима генерации у лазерного диода – спасибо!
По поводу предрассудков могу повторить еще раз: вплоть до середины XX века физики всем миром вычищали ошибки из учебников по классической механике. И на этом – выдохлись. На другие разделы сил уже не хватило.
В электродинамике до сих пор можно обнаружить предрассудки, сформировавшиеся в начале XIX века.
Некоторые модели фотоаппаратов позволяют получать изображение в RAW формате. Я к телескопу именно такой приспособил, чтобы избежать артефактов от алгоритмов сжатия.
И рекомендую удалить объектив, а изображение проецировать не на экран, а на матрицу фотоаппарата. Качество изображений вырастет многократно. То есть от фотоаппарата нужна "тушка".
Совет по поводу того, что луч указки нужно пропустить через узкое отверстие, прежде чем направить на лезвие – из разряда «вредных».
Таким образом чистота эксперимента нарушается сразу же: получается дифракция света на отверстии, которая хорошо видна на экране уже на расстоянии двух метров от этого отверстия.
Изучение дифракции лазерного излучения входит в программу курса "Физика", всех технических ВУЗ-ов страны.
К примеру: http://opprib.ru/main/labor/pdf/metodika/physic/010502.pdf
Вот об этом я и упоминал в своей статье: для объяснения явлений до сих пор используются устаревшие модели, заимствованные из волновой оптики XIX века.
Это не выяснилось. Это модель. Так стали описывать свет в квантовой электродинамике. Притом квантуется только поперечное поле, продольное нет, а статическое тем более. С этим описанием много проблем, как и самой КЭ (Косяки и глюки квантового леса). Так, например, до сих пор толком нет волновой функции фотона, а следовательно и о фотоне как частице можно говорить только тогда, когда он поглощается или испускается.
Даже не как о частице, а как о кванте. Разность энергетических уровней системы до и после передачи энергии квантом определяют его энергию. Эта энергия по принципу неопределённости определяет длительность процесса передачи энергии. Если эту длительность умножить на скорость света получим "длину волны фотона", псевдо величину, полученую косвенным способом, без физической реализации.
Кто Вы? Расскажите о себе, как ученом?
Я не ученый: нет у меня никаких степеней и званий.
В этом мое преимущество – степени и звания не мешают мне думать.
Бог с ними степенями, но работаете то в научно-образовательной системе?
Для того, чтобы получить интерференционную картину от "прямолинейного края полуплоскости", необходимо иметь ПЛОСКУЮ периодическую структуру, с которой излучение будет взаимодействовать, на протяжении нескольких десятков длин волн излучения, хотя бы на протяжении 0,1 мм. У заточенного края бритвы такой плоскости нет. Грубо говоря, нет дифракционной решётки.
На учебник Савельева я ссылался в начале статьи не просто так.
Дифракция света от края полуплоскости наблюдалась еще в XIX веке, задолго до изобретения лазеров.
Вы не правы. Гуглить и читать "Дифракция на полуплоскости и интеграл Френеля"
Тогда нужно узнать, какова длина когерентности у лазера вашей указки. Если она никакая, микроны, то и интерференции на ней не увидеть.
Интерференция яркого лазерного луча на лезвии прекрасно видна на экране, но на снимке максимумы и минимумы сливаются.
Читатели данной статьи уже предложили несколько вариантов решения данной проблемы.
Основной то вопрос заключается в другом: когда луч тусклый, то не видно не только интерференции, но и дифракции, а виден на экране четкий маленький полукруг.
Даже на глаз не видно дифракции, не говоря уже о фотоаппарате.
О сколько нам открытий чудных готовит
просвещеньянезнанья духВроде бы Вы правильно начали с того, что статистические(линейные,гладкие) законы к лучу света не применимы.
И всё равно пытаетесь к фотону применить статистические законы, а не квантовые.
У фотона нет ни толщины, ни прочих размеров. Это квант энергии и он подчиняется только принципам неопределённости и квантованию.
Нет такой системы отсчёта, где бы фотон покоился и где бы можно было бы провести замеры его размеров. А измерения в системе отсчёта, относительно которой объект движется со скоростью света, мягко говоря, не корректны. Представьте, что Вам в супермаркете предложили кусок сыра взвесить в системе отсчёта, которая относительно этого куска сыра движется со скоростью света. Вы бы согласились на кассе оплатить результаты такого измерения? Аналогично с куском кабеля.
В Вашей цитате есть в скобочках слово (суперпозиции). Нужно использовать именно квантовое толкование этого принципа, как квантовая спутанность состояний, их суперпозиция, например, нелокализованная химическая связь или гибридизация электронных облаков.
Коллапс этой спутанности и приводит при усреднении к образованию этих чередующихся полос.
ПС.
Как и кто?
Ссылки на следующие статьи:
Фотоны и изображение на экране
Об углах и фотонах
Википедия о фотонах
Ссылки на следующие статьи:
Превращаем указку в точечный источник света
Фейнман и спорщики
О школьниках, фотонах и арифметике
Продолжаем разбираться с фотонами
Ссылки на следующие статьи:
Указка и зеркала
Биения в лазерном луче
Ссылки на следующие статьи:
Световой вектор
Интенсивность излучения и интерференция света