Я продолжаю тему о предрассудках в современной физике.
Сегодня я собираюсь поднять вопрос о том, какова максимальная величина угла, при которой возможно взаимодействие между фотонами, движущимися почти параллельными курсами.
Множество предрассудков в современной физике связано с наглядной, но неудачной и вводящей в заблуждение аналогией, которую Томас Юнг в начале XIX века использовал для пояснения интерференции света в двухщелевом опыте: взаимодействие волн на поверхности жидкости. С тех пор прошло двести лет, но до сих пор система образования вбивает в головы студентам и школьникам, будто свет распространяется от щелей круговыми волнами:
Подобную картинку можно видеть даже в самых современных учебниках, а также в видеороликах, посвященных интерференции света.
На самом деле в опытах по интерференции свет от щелей и отверстий к экрану идет очень узкими лучами.
С этой картинкой связан также прочно укоренившийся предрассудок, будто интерференционные минимумы (темные полосы на экране) появляются по причине того, что волны от разных щелей приходят в данную точку экрана в противофазе. После открытия фотонов такое объяснение стало совершенно неправдоподобным, так как «загасить» друг друга на экране фотоны никак не могут: во-первых, это противоречит закону сохранения энергии, а во-вторых, фотоны попадают в разные точки экрана.
После открытия фотонов физики должны были переосмыслить объяснения результатов различных опытов по интерференции, которые ранее давала волновая теория света: луч света должен был рассматриваться уже не единая волна, а совокупность фотонов.
Но вместо этого физиков-теоретиков наглухо заклинило на химере: корпускулярно-волновой теории. Скрестили физики друг с другом две несовместимые теории – корпускулярную и волновую – и получили «гибрид ежа с ужом».
Впрочем, в последнее время до теоретиков все же постепенно начинает доходить, что фотон – это не элементарная частица, а неделимый на более мелкие части радиоимпульс.
При каких условиях фотоны как радиоимпульсы могут взаимодействовать между собой?
Как именно они взаимодействуют? Взаимно отталкиваются?
Посмотрим, как изображалась интерференция света с точки зрения волновой оптики. Возьмем в качестве примера учебник Савельева: Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. Савельев И. В., Издательство «Наука», 1971.
Вот рисунок 43 со страницы 83, изображающий интерференцию света от параллельных светящихся нитей или узких щелей:
Что не так с этим рисунком?
Для наглядности углы расхождения лучей показаны широкими.
В реальных же экспериментах по интерференции света ширина щелей или отверстий измерялась долями миллиметра, расстояние между щелями – миллиметрами, расстояние до экрана – дециметрами или метрами. Следовательно, углы между направлениями движения фотонов, исходящих от разных щелей и движущихся пересекающимися курсами измеряются десятыми или сотыми долями градуса.
Иными словами, взаимодействие наблюдается, когда фотоны движутся почти параллельными курсами.
После изобретения лазеров эксперименты по дифракции и интерференции света сильно упростились: некоторые из них может теперь легко реализовать даже ребенок.
Рассмотрим, например, дифракцию лазерного луча на круглом узком отверстии:
В данном случае фотоны, которые огибают края отверстия, уходят в разные стороны и в процессе формирования картины на экране не участвуют, а между собой взаимодействуют только фотоны, вообще не соприкасавшиеся с препятствием, а также фотоны, рассеивающиеся на краях отверстия.
На экране мы увидим следующую картину:
Примечание: в данном примере был использован лазерный модуль R-80 с мощностью излучения 80 мВт и длиной волны 655 нм, диаметр отверстия составляет 0,5 мм, расстояние от отверстия до экрана 4 метра.
Интерференционные минимумы на картинке возникают потому, что фотоны не попадают в данную область экрана. Максимумы же получаются в тех местах экрана, в которые попадает наибольшее количество фотонов. Но для возникновения подобной картины необходимо, чтобы некоторые фотоны изменили направление своего движения, то есть отклонились от исходного направления, заданного лазером.
Как фотоны меняют направление движения, тоже можно легко увидеть.
Поместим вблизи отверстия линзу, чтобы как можно сильнее рассеивать выходящий из отверстия луч:
Установим вначале линзу на расстоянии 1 см от отверстия. На экране будет видна следующая картина (расстояние от линзы до экрана составляет 50 см):
Здесь можно видеть, что изменения картины начинаются от краев.
Увеличим расстояние от отверстия до линзы до 2 см и увидим, что процесс взаимодействия между фотонами доходит уже до центра луча:
Интересно, а на каком расстоянии от отверстия взаимодействие между фотонами в луче прекратится?
Комментарии
Вы взяли лазерный модуль. Лазер - по определению устройство, испускающее когерентное излучение. Поэтому расходимость лазерного луча небольшая. Лазер не является точечным источником, в отличие от, например, нагретой проволочки, которая в плоскости перпендикулярной ее направлению светит равномерно. И приведенная вами иллюстрация из Сивухина делает акцент именно на этом. Для наглядности пожертвовали достоверностью.
Если вы возьмете свечку (кстати, а каким образом свечка генерирует фотоны электромагнитного излучения? Да еще разных длин волн? Загадка...) и произведете такой же эксперимент, результаты будут другими.
И да, излучение от отверстия расходится во все стороны, но не с одинаковой интенсивностью. В центр - больше, дальше по углам - меньше. Это подразумевается, но графически не изображается. И это легко доказывается. Если вы, опять же, возьмете свечку, посветите ей через отверстие и посмотрите, как распределяется свет за отверстием, увидите не узкий луч, а довольно широкий конус...
Свет, который давали источники, применявшиеся в экспериментах в начале XIX века – Солнце, свеча, горелка – не был ни монохроматическим, ни когерентным, ни поляризованным.
Интерференция же в этих опытах наблюдалась.
А почему она там наблюдалась, если каждый фотон, испускаемый такими источниками, отличался по своим свойствам от других?
Следовательно, между собой могут взаимодействовать фотоны с разной длиной волны.
А потому что все фотоны, испущенные некоторым источником (точечным, что важно) в определенный момент времени (и на протяжении некоторого времени - что опять же важно) обладают... ну, некоторым особым свойством, которое позволяет им интерферировать. И будучи вырезанными из изотропного распределения первой щелью, что отсекает возможность смешения с фотонами, испущенными в другое время и прилетевшими по другим путям, а следовательно обладающими другими значениями этого особого свойства, а затем пройдя через две щели, на экране будут встречаться только те фотоны, которые обладают этим сродством. И они будут интерферировать. Присутствие же других фотонов, этим сродством не обладающих, будет просто примешиваться к этой картине в качестве фона, и делать картину менее заметной.
Причем испущенные этим же источником в то же время фотоны другой длины волны будут узнавать только своих, красных, например, и совершенно не будут узнавать испущенных в тот же момент синих. И с синими они общаться не будут.
Конечно могут. Но это совсем-совсем другая история.
Вы даете неправдоподобные объяснения: что это за мистическое сродство фотонов от одного источника?
Еще в 1967 году была опубликована статья об интерференции лучей от двух разных лазеров: R.L. Pfleegor, L. Mandel. Interference of independent photon beams.
Это свойство называется фазой. Ну, в волновом представлении. Сообщество фотонов, сохраняющих общую фазу на протяжении некоторого времени называется цугом. А в целом это явление называется когерентностью. В Сивухине об этом всё очень подробно и доходчиво написано. Ну если читать буквы, а не смотреть картинки на предмет с ними не согласиться.
Скажите, а вы читали эту статью сами, разбирались в постановке эксперимента?
Наблюдалась интерференция лучей от двух одинаковых лазеров. С одинаковой активной средой. И достаточно большой степенью временной когерентности. А сложность работы состояла в том, чтобы заставить эти два лазера генерировать на одной длине волны с достаточной точностью и не уходить параметрам излучения в разные стороны от теплового и прочего дрейфа. Потому что небольшое различие в длине волны еще позволяло наблюдать интерференцию, а при превышении этой разницы интерференция пропадала.
Повторяю: источники света, применявшиеся в XIX веке, не были ни монохроматическими, ни когерентными, а интерференция – наблюдалась.
Картинка из учебника Савельева, на которую я ссылался в своей статье, изображает интерференцию света от двух разных источников.
Причем один из вариантов того эксперимента – интерференция света от двух раскаленных нитей.
Не люблю Савельева именно за это, у Сивухина всё гораздо строже и понятнее... В учебнике Савельева сказано:
Когерентные - в первую очередь - исходящие из двух действительных или мнимых источников имеющих вид щелей или нитей. Когерентные! Излучение двух раскаленных нитей не будет когерентным, следовательно, ваша догадка о том, что интерференция будет наблюдаться от двух раскаленных нитей, неверна. Это прямо следует из текста двумя страницами выше, описывающего когерентность и интерференцию:
Здесь же явно указано, как получить когерентное излучение от естественных источников, чем и пользовались исследователи 19 века: опыт Юнга рассматривал интерференцию на двух щелях излучения, предварительно прошедшего одну щель, что и задавало когерентность. Опыт Френеля-Араго предполагал дифракцию на круглом пятне излучения, предварительно прошедшего через круглое отверстие.
Спасибо, спасибо и еще раз спасибо!
Мои статьи как раз об этом – о дремучих предрассудках в современной физике!
А вы их наглядно демонстрируете!
Источник света – Солнце, свеча, горелка или нить накаливания – не монохроматический.
Все фотоны – разные!
Каким образом свет от такого источника может стать когерентным после прохождения через щель?
Пожалуйста, пожалуйста, пожалуйста! Если это научит вас хотя бы читать учебники для удовлетворения вашего любопытства, а не только рассматривать там картинки, это уже будет замечательно!
А он не станет более когерентным, чем был, видите какая штука. Прохождение через щель позволяет отсечь другие фотоны, которые испущены в другой момент времени, и которые мешают увидеть интерференцию, создавая ровную засветку.
Немонохроматичный - ну и что? это означает просто что в этом свете много видов фотонов: одни красные, другие зеленые, третьи синие. Но каждый вид обладает когерентностью с самим собой. И каждый вид сам с собой будет интерферировать. Поставите цветной фильтр - уберете все виды фотонов кроме одного, увидите интерференционную картину с одним расстоянием между полосами. Поставите другой фильтр, оставите другой вид фотонов, увидите картину с другим расстоянием между полосами. Нам в школе на уроке физики такой опыт показывали, с лампой накаливания. Специально пришлось идти к нулевому уроку зимой, чтобы темно еще было. Это как раз чтобы всякие посторонние фотоны не мешались.
Я как раз об этом и пишу: если неправильные представления вбиты в голову в детстве, то заставить специалиста хотя-бы задуматься – проблематично!
Светофильтр делает свет когерентным?
Нет, светофильтр не делает свет когерентным, с чего вы так решили?
Отлично!
Продолжим: светофильтр делает свет монохроматическим?
Да, светофильтр делает свет монохроматичным до определенного предела. Идеально монохроматичного света не существует в принципе, но для определенности соглашусь, да. Делает.
Не согласен.
Наблюдается путаница в терминологии: монохроматический светофильтр только сужает спектр. а фотоны все равно имеют разную длину волны.
Прохождение подобного луча через щель или отверстие не сделает его когерентным.
Я правильно понимаю вышеизложенное, вы полагаете что фотоны в монохроматическом излучении имеют разную длину волны?
Не могли бы вы тогда привести определение того, что такое "монохроматический свет"?
Нет, не правильно!
Я пытаюсь объяснить, что когерентность и монохромность света не являются обязательными для возникновения интерференции, а вот величина угла между траекториями фотонов может оказаться важной.
После светофильтра разброс частот «очень малым» считать нельзя.
Ну тогда вас, вероятно, совершенно не затруднит дать определение "очень малый" применительно к частотам.
Хорошо, я буду ждать результатов дальнейших ваших экспериментальных исследований с демонстрацией интерференции двух лазерных источников. Хотя лично мне за 20 лет экспериментальной работы наблюдать её не довелось, но наверное я просто слишком зашорен и закостенел.
Уверен, у вас всё получится!
Вот в этом видео показана сперва интерференция в белом свете, с появлением радужной картины, а затем установкой светофильтра - в зеленом. Вы можете это как-то прокомментировать?
Светофильтр сужает диапазон длин волн, делая картинку более четкой, но интерференция имеет место и без светофильтра.
Логичное объяснение, вполне может быть. Значит, в самом деле, вам нужно только подобрать оптимальные условия для обеспечения интерференции двух лазеров с разными длинами волн.
Как вы себе представляете постановку эксперимента? Возможно, я смогу что-то подсказать по чисто технической стороне...
Подождите, я ещё и с одним-то лазером до конца не разобрался.
А что вы планируете делать с этим одним лазером? У вас уже есть новые идеи для экспериментальной проверки?
И да, я несколько не понял: на рисунке у вас изображена двояковыпуклая (собирающая, положительная) линза, а ход лучей соответствует отрицательной линзе... Вы просто не знаете, как её правильно изображать, вам всё равно, или вы в самом деле использовали собирающую линзу, но устанавливали экран для наблюдения за фокусом? Это важный вопрос, потому что собирающая линза позволяет транслировать изображение и получать (при определенных расстояниях до источника и экрана) резкую картину практически без дифракции, а отрицательная этого не позволяет ни при какой постановке.
Линзу я использовал двояковыпуклую, так что картинку, похоже, нарисовал неправильно.
Печально. Значит ход лучей через линзу вы тоже не понимаете. И важность точного описания деталей эксперимента.
А то вот представьте - рисуете вы, вот как сейчас, что получили стабильно расходящийся лазерный пучок после двояковыпуклой линзы. Я хватаю лазерную указку, проверяю, и пишу вам - не сходится. Ерунду вы тут нарисовали. Не выходит у меня эксперимент ваш. И после этого у вас три варианта - либо признать ошибку, переделать эксперимент и опубликовать результаты в корректной форме, либо признать ошибку и уйти в теоретики, либо не признавать ошибку и утверждать, что вы всё сделали правильно и к вам просто несправедливо придираются.
Какой вариант выберете вы?
Вы ведь не просто "картинку нарисовали неправильно". Вы некорректно описали схему эксперимента. Из которого уже сделали выводы. И не перепроверив всё досконально эти выводы решились опубликовать. А это в экспериментальной работе промах очень серьёзный.
Был лет 25 назад случай. Малоизвестный, но неприятный. Работал человек на ядерной установке. По ошибке собрал немножко не ту систему, которую должен был. По запарке не установил систему безопасности. А потом уже не успел её установить. произошел импульс деления, человек получил смертельную дозу. Только он сам об этом еще не знал. Успел выйти, закрыть установку, сообщить, его увезли в больницу, не спасли... А установка еще неделю стояла в критическом режиме, пока не придумали, как её разобрать относительно безопасно. Но придумали.
https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t83-2_1997/0015/
Правильная картинка должна выглядеть как-то так:
И как в этих условиях изменятся ваши выводы? Как будет выглядеть дифракционная картина, допустим, в фокусе линзы? (О, фурье-оптика, как я её чуть не завалил на третьем курсе...) На каком расстоянии от линзы находились дитафрагма и экран (в единицах фокусного расстояния, конечно)? Как изменятся выводы, если расстояние до экрана увеличить/уменьшить в 2-3 раза?
Да, и картинка у вас опять неправильная. Нарисованное расстояние до фокуса невозможно при такой апертуре линзы.
Ну и еще один вопрос. Как выглядит интерференционная картина для монохроматического света - понятно, это система цветных полос или колец, разделенных темными промежутками. Как выглядит картина для двух цветов, тоже понятно - это две системы колец, наложенных друг на друга, это тоже несложно наблюдать, подобрав пару светофильтров. Но как вы отличите интерференцию двух разных длин волн между собой от интерференции этих волн с самой собой? Ведь лазерное излучение когерентно и интерферировать с самим собой будет...
Конкретно, об устройстве и принципе работы доисторических интерферометров Вы сами писали пару своих статей назад.
Потом, по памяти, вы написали что лазер позволяет упростить эту конструкцию? и понеслось-)
Лазер позволяет упростить демонстрацию различных опытов, делая картинку на экране резкой и четкой.
Но опыты по интерференции света проводились успешно задолго до изобретения лазеров.
А если Вы разобрались в принципе работы интерферометра, то зачем эти вопросы?
Получается что нет, не разобрались.
Проблема вовсе не в интерферометре.
Физики-теоретики до сих пор не разобрались в том, что же такое интерференция света и как она на самом деле происходит.
На самом деле, нет. Разобрались
- фотоны не загибаются за отверстием. Они переизлучаются на границе этого отверстия.
- после этого они улетают куда угодно, с одной длиной волны в одну строну, с немного другой примерно в ту же но не совсем.
- те что улетели на экран интерферометра это небольшая часть общего потока от свечи; но если они улетели именно на наш экран, у них длинна волны одинакова или очень близкая.
- в лазерной указке доля фотонов близких по длине волны намного больше чем в пламени свечки.
Поэтому картина интерференции отчётливей, яркость выше .
То, что фотоны не «загибаются», а переизлучаются – каким экспериментом доказано?
Она происходит легко. Забудь про монохроматичность, поляризацию и прочее. Самое главное для тебя - это постоянная разность фаз! У двух отверстий, на которые падает свет от одного исходного отверстия будет иметься постоянная разность фаз. Надеюсь, дошло?
Как обеспечить постоянную разность фаз, если источник света – не монохроматический?
Все фотоны, испускаемые таким источником – разные!
Тебе нужна постоянная разность фаз! Тогда два источника, имеющих постоянную разность фаз будут интерферировать без проблем, что мы и видим в белом свете. Несмторя на то, что фотоны (а точнее волны) будут разные, среди них найдутся те, которые будут иметь схожие поляризации, монохроматичность и всё остальное
И какова же вероятность того, что эти одинаковые фотоны встретятся друг с другом?
Достаточная, там же триллионы фотонов летят, какие проблемы...
Разные, но как вы можете это доказать?
Автор, а вы точно разобрались в том, что такое корпускулярно-волновой дуализм? Как-то я спросил у Ландау, мол, Дау, а не слишком ли мы сухо пишем свои учебники, не добавить ли туда больше наглядности, чтобы любая домохозяйка могла самостоятельно разобраться?
Дау задумчиво посмотрел в пустую пивную кружку, потом на автобусную остановку...
- Видишь ли, Алекс... если домохозяйка достаточно симпатичная, то я бы предпочёл лично объяснить ей все тонкости. А так, нет, не считаю нужным!
Итак, луч лазера создаёт пятно на экране. Делим это пятно пополам и устанавливаем по одному детектору - в левой и правой половинках. Уменьшаем интенсивность излучения до одного фотона в секунду. И что же мы видим? Перед нами почти идеальный генератор случайных исходов. Подбрасываемая монетка. Рулетка, блин!
Друг мой, если вы действительно поняли то, что мы, крупнейшие физики-теоретики этой планеты, написали в своих книгах, то вам не составило бы труда нарисовать математическую модель этого явления. А именно, танки идут ромбом... тьфу, ты... то ись, фотоны летят цугом. Сиречь, друг за другом. Да, это можно изобразить в виде синусоиды, где расстояние между горбами будет соответствовать длине волны...
Синусоида это, как вы понимаете, вид сбоку. А при виде сверху мы увидим фронт... множество фронтов волны, следующих друг за другом с интервалом в длину волны. И вот, передний фронт фотонной волны достигает экрана с детекторами. Причём, касается обоих детекторов одновременно! Какой из них сработает?
Давайте для большей наглядности заменим два детектора на 36 детекторов, выстроенных горизонтально в линию. Да, чтобы было похоже на развёртку колеса рулетки с 36 клеточками, по которым скачет шарик. А теперь... внимательно следите за моими руками... рисуем ещё одну синусоиду, проходящую как раз по этим клеточкам! (справа налево или слева направо - не важно)
Смотрите, что у нас получается. Во-первых, если нарисовать ещё одну синусоиду, колеблющуюся в противофазе, то... это будет аналогично коллапсу волновой функции! Да, произойдёт вычитающая интерференция... Так, как же всё-таки происходит выбор детектора, который должен сработать, и как об этом узнают остальные детекторы, которые не должны срабатывать, чтобы не нарушать закон сохранения энергии?
Подумайте над этим.)
Когда описывают эксперименты с источниками света низкой интенсивности, наблюдается нарушение последовательности изложения материала: сразу начинают с двух щелей.
А контрольный эксперимент с одной щелью кто-нибудь когда-нибудь проводил?
Всё-таки интерферентную картину формирует не взаимодействие фотонов, а взаимодействие фотонов с материалом щели. (?)
Я специально привел две фотографии в конце своей статьи.
Интерференционная картина на расстоянии в 1 см от отверстия только начинает формироваться. А вот на каком расстоянии от отверстия формирование завершается, и картина стабилизируется?
Насколько понял, ни на каком.
Интерферентные линии выходят за пределы пятна прямых потоков, изменения имеют видимую картину согласно квадрата расстояния.(от материала "щели")
При этом и "яркость" этого с квадратом расстояния падает.
(Может интерферентность даст эффект прохождения луча звёзды мимо дальних планет?)
Хорошо. А теперь представьте себе, что все края щелей заставлены миниатюрными детекторами. Что произойдёт с интерференционной картиной?)
Каждый из детекторов вероятно должен быть нематериальным объектом, но взаимодействовать с физикой фотона, и при этом должен перекрывать края материальной щели?
(Может что-то вроде демона Максвелла?)
Ладно. Тогда поставим на пути одиночного фотона два атома, касающиеся друг друга электронными оболочками. После того, как этот путь пройдёт один за другим несколько сотен фотонов, на экране можно будет различить интерференционную картинку. Так в чём же дело? Почему её не было от одного атома?)
Где описано что небыло?
Где описано прохождение "между касающимися электронными оболочками?(это про прозрачность ?)
Страницы