Фотоны и луч света

Аватар пользователя kvg1967

Макс Планк

Предупреждаю сразу, что мои статьи не о физике как таковой, а о запутывании, запугивании и промывании мозгов в современной науке. Сегодня я предлагаю проанализировать ситуацию, связанную с описанием свойств фотонов в современных учебниках физики. 
Обсудим такой вопрос: что представляет из себя луч света – некую единую систему, состоящую из фотонов, или просто группу независимых фотонов, движущихся в одном направлении?

Начнем с краткого экскурса в историю физики.
В XVII веке друг с другом конкурировали две теории о природе света: корпускулярная и волновая.

Корпускулярную теорию света начали разрабатывать Пьер Гассенди и Исаак Ньютон. Согласно этой теории, свет состоит из мелких частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами.
Альтернативное представление о свете, как о волнах в эфире, основалось на работах Рене Декарта и Роберта Гука.
Волновую теорию света начал разрабатывать Христиан Гюйгенс. Эта теория рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты – как результат интерференции этих волн. Волновая теория света как электромагнитного излучения в XIX веке получила теоретическое описание в работах Джеймса Максвелла.

Некоторые фундаментальные физические явления и законы, связанные с поведением световых лучей, также были открыты еще в XVII веке.

Преломление (рефракция) – изменение направления луча, возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит.
Закон преломления света был открыт Виллебрордом Снеллом в 1621 году.

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения световых волн. Это явление обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света.
Явление интерференции в XVII веке независимо друг от друга обнаружили Франческо Гримальди, Роберт Бойль и Роберт Гук. Детальное объяснение этого явления в 1801 году дал Томас Юнг; он же ввел в научный обиход термин «интерференция».

Дифракция волн – это явление огибания волнами препятствий.
Явление дифракции света открыто в XVII веке Франческо Гримальди.
Первая волновая теория дифракции с привлечением интерференции к объяснению дифракционных картин была дана Томасом Юнгом.

Поляризация волн – характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
В 1669 году Расмус Бартолин сообщил о результатах своих опытов с кристаллами известкового шпата: он обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча. Это открытие привлекло внимание Христиана Гюйгенса, который также начал исследовать свойства кристаллов и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. Он ввел понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления. Гюйгенс решил проверить, что получится, если пропустить оба луча, вышедшие из одного кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл и выяснил, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.
Долгое время явление поляризации считалось доказательством корпускулярной теории света, но в 1815 году Андре-Мари Ампер сказал Огюстену Френелю, что поляризацию можно объяснить тем, что эфир совершает поперечные колебания. В 1817 году аналогичную гипотезу выдвинул Томас Юнг, а в 1821 году Френель создал волновую теорию поляризации света.

А теперь перейдем к фотонам и к невразумительному изложению сведений о них в современных учебниках. Какие из перечисленных выше свойств присущи только световому лучу, а какие – отдельным фотонам, из которых этот луч состоит?

Фотон – это квант электромагнитного излучения и переносчик электромагнитного взаимодействия.
Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован Максом Планком в 1900 году для объяснения свойств теплового излучения, а сам термин «фотон» введён Гилбертом Льюисом в 1926 году.

Какие размеры имеют фотоны?
Может ли свет, создаваемый лазером, проходить сквозь отверстие, диаметр которого меньше длины волны излучения этого лазера?

Принято считать, что фотоны практически не подвержены воздействию электрических и магнитных полей. А как же тогда фотоны могут взаимодействовать между собой внутри луча?
Что представляет из себя луч света: некую единую систему, состоящую из фотонов, или просто группу независимых фотонов, движущихся в одном направлении?
Если это единая система, то как фотоны объединяются друг с другом и как потом луч распадается на отдельные фотоны по мере рассеивания света?

Поляризация – это свойство луча света в целом или свойство каждого отдельного фотона?

Если постепенно уменьшать интенсивность света, увеличивая тем самым расстояние между фотонами, то до каких пор будут все еще наблюдаться интерференция и дифракция?
Способны ли, например, отдельные фотоны, подобно световому лучу, огибать препятствия?

Авторство: 
Авторская работа / переводика

Комментарии

Аватар пользователя Михайлыч
Михайлыч(4 года 5 месяцев)

Прочитал про фотон, это квант электромагнитного излучения. Появился вопрос. Фотоны могут быть у э/м излучения любой длины? 

Аватар пользователя ЭллиКо
ЭллиКо(3 года 11 месяцев)

Чем больше длина волны, тем менее выражены корпускулярные свойства фотона. Импульс фотона равен отношению постоянной Планка к длине волны.

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

Сделаем простейший опыт, доступный любому школьнику...

Луч лазера падает на поверхность. Размер лазерного пятна 3х3 клеточки. Каждая клеточка представляет из себя детектор...

Начинаем уменьшать интенсивность луча, вплоть до одного фотона в секунду. Каждый раз будет срабатывать только один детектор из 9, выбранный случайным образом...

Какие выводы можно сделать из этого эксперимента?)

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

О, теорехтики подтянулись.

Какой тип детектора будем использовать? Погрешность этого детектора, каким образом проводилась калибровка, с использованием какого эталона, с какой доверительной вероятностью? Уровень дробового шума детектора? Тип питания, стабильность питания, его влияние на стабильность показаний детектора? Спектральная характеристика детектора? Каким образом будем исключать вероятность регистрации внеспектральных компонент (космических лучей и т.п.)?

Какие вообще можно сделать выводы из эксперимента, в котором столько неизвестных?

Ах, нет, у нас будет идеальный детектор, который со 100% достоверностью регистрирует единичные фотоны.

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

Детектор расположим на луне, а бомбардировать будем отдельными фотонами(?) радиоактивных частиц.

И сравним с тактическим лазером например.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Да нет разницы где будет детектор. Каким он будет, как будем обеспечивать метрологическую достоверность эксперимента?

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

Это уже делают - "штучным" срабатыванием источника.

Но "штучное" свойства фотона отличаются от "потока".

Все-бы ничего, но частицы на световой скорости не должны "успевать" влиять друг на друга. 

Только если эти частицы не причина, а следствие этого электромагнитного свойства потока.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Кто делает? Вы можете привести ссылку на экспериментальное исследование с достаточно подробным описанием экспериментальной установки?

Насколько я знаю, это установки уровня "state-of-the-art". И даже они единичных фотонов не регистрируют. Точнее, регистрация одного события - это не доказательство регистрации фотона. Набирается статистика, хитрыми методами отсеиваются события, которые вероятно связаны с какими-то другими эффектами. 

Все-​бы ничего, но частицы на световой скорости не должны "успевать" влиять друг на друга. 

Если вы о фотонах, то они и не влияют, летят себе потихонечку, не толкаются, не сворачивают. Рассеяние фотона на фотоне сумели получить только на БАК и то с такой статистикой, что я бы ее постеснялся. 

Фотоны в принципе нужны только при описании взаимодействия излучения с веществом, и то только в случае довольно высоких энергий, заведомо больше 1 эВ. Все остальные эффекты (включая совсем экзотичные нелинейные) вполне описываются в рамках волновой теории. 

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

Откуда "диванному физику" знать про конкретные эксперименты(половина которых - засекреченные от ядерщиков)?

Наша цель подвергнуть сомнению теории, превращенные в догматы.

(Но рассеивание света, это факт(?), который препятствует, например постройке тактического лазера для космоса)

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Дифракционная расходимость электромагнитного излучения - это, безусловно, факт.

Вот только этот факт абсолютно никак не объясняется наличием и поведением фотонов, зато отлично описывается в рамках волновой теории излучения. Описывается, объясняется, в ряде случаев - используется.

Как я уже неоднократно указывал топикстартеру, чтобы обоснованно подвергнуть сомнению какую-либо теорию, требуется разбираться в этой теории лучше, чем 99% тех, кто её в настоящее время использует. Потому что уж 10% из этих профессионалов разбираются в теории капитально, и указать им на ошибку, доказать что она именно ошибка, а не случайное отклонение, что эта ошибка на что-то серьёзно влияет... Это солидная задача.

Она не решается в лоб, как у ТС, формулировкой вопросов уровня старшего школьника - профи знают эти вопросы, они их обычно сами задавали. 

Аватар пользователя ЭллиКо
ЭллиКо(3 года 11 месяцев)

Какова вероятность вылета из лазера одного фотона?

«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»

Размер лазерного пятна 3х3 клеточки.

Атом, испустивший фотон лежит на нормали в клеточке. 

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Ослаблять лазерное излучение умеют достаточно хорошо, так что ослабить пучок до уровня 1 фотона, перенаправив другие фотоны этого пучка в другое место, вполне решаемая задачка. 

Учитывая расходимость излучения (дифракционная расходимость фундаментальное свойство электромагнитного излучения, с ним ничего не поделаешь), атом, испустивший фотон, может лежать где угодно в рамках активной среды. Это в принципе не важно, фотон - штука статистическая, как впрочем и атом, их имена и явки значения не имеют. 

Аватар пользователя ЭллиКо
ЭллиКо(3 года 11 месяцев)

Сделаем простейший опыт, доступный любому школьнику...

 

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Ослабить излучение - стопой Столетова -  может в самом деле любой школьник, имеющий лазер (лучше, всё-таки, не полупроводниковую указку, а гелий-неоновый, но и это некритично) и десяток предметных стекол от микроскопа. Имея сотню стекол и солидное терпение можно, в принципе, ослабить излучение и до уровня считанных фотонов. Тут товарищ не соврал.

А вот надежно диагностировать этот уровень - это уже задача не для школьника. 

Аватар пользователя ЭллиКо
ЭллиКо(3 года 11 месяцев)

В этом случае первоначальный вопрос Алекса полностью теряет смысл. За ответом к Гейзенбергу и Шрёдингеру. Если первый в школьной профильной программе по физике упоминается, то о втором имеют представление наиболее продвинутые ученики. 

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

А почему в одной точке может поместиться два и больше фотонов, тоже поняли? Или спросим у Кобы?)

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Вопрос Алекса вообще лишен какого-либо смысла. Даже безотносительно умствований о том, что весь волновой фронт стягивается в один фотон - что является откровенной софистикой...

Чисто экспериментально. Каждый фотокатод имеет такой параметр, как квантовый выход - это количество выбитых (и зарегистрированных) электронов на один прилетевший фотон. И это число всегда меньше единицы. То есть то, что мы зарегистрировали один фотон, означает что еще, грубо, пять прилетели на тот же участочек фотоэлемента, но электрона не выбили. Или выбитый электрон рассеялся и поглотился, в общем - не создал импульс электрического тока, который мы бы зарегистрировали. А значит - зарегистрировав что-то мы не можем сказать, чего мы не зарегистрировали, но можем уверенно сказать что зарегистрировали не всё. Увы. 

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

А вот мы, квантовые физики-теоретики, в число которых входят Эйнштейн, Бор и ваш покорный слуга... ну и ещё парочка-другая... ну я даже не знаю... ну, к примеру, Шрёдингер с Гейзенбергом, эти два немецких брата-акробата. Между прочим, два брата-близнеца! Да, у них был общий отец...

Тээкс, о чём это я? Ах, да! Мы увидели в этом эксперименте следующее. Фронт волны света достигает всех этих 9 детекторов одновременно. Но срабатывать будет только один из них. Ну и да, к фотону не применимо такое понятие как траектория. В том же смысле, как она отсутствует, например, у круговой волны на поверхности воды.

Ну и да, если внимательно присмотреться, то можно заметить, что в одной и той же точке пространства может уместиться сколько угодно фотонов. Собсна, именно поэтому они и называются бозонами... в отличие от фермионов, к коим относятся электроны с протонами и нейтронами.)

Аватар пользователя spinor
spinor(4 года 6 месяцев)

Как теперь без Большого Взрыва жить-то будем? А? Но мне кажется, что нам скажут, чтобы шарик лопнул его сперва надо надуть...

Кстати, теория лопнувшей Вселенной весьма любопытная. Большой Разрыв, пространство-время рвётся на куски, и нет способа попасть из одного в другой. Связность пространства-​времеми меняется скачком. Наш кусок Вселенной внезапно становится маленьким и далёкие звёзды гаснут. Кусочек начинается сдуваться. Звёзды и галактики оставшиеся в нём начинают сближаться. Красное смещение становится голубым. На Земле появляется новый мессия... Снова еврей, разумеется.

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

Док, как вы относитесь к перспективе получения Россией стратегического преимущества в противоракетной обороне? Причём, в самое ближайшее время... )

Аватар пользователя spinor
spinor(4 года 6 месяцев)

А как я должен к этому относиться? Надо бы ещё подумать как "плавить" боеголовки из космоса. Нейтронная пушка?

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

Мы реалисты и у нас нет времени... эмм... тратить время на бесплодные фантазии. Да-с, милостивый государь!

Мы сделаем из англосаксов то, что они сделали из немцев, после поражения тех в двух Мировых войнах подряд. Мы сделаем из них... пи-да-ра-сов! Впрочем, они и сами неплохо справляются... Да, неуверенных в себе и всего боящихся пидарасов!

Каким образом, наверняка, вертится у вас на языке этот вопрос? С помощью нашей ПРО... Мы будем заранее извещать их, по какому американскому городу будет нанесён ядерный удар. Ну, чтобы вызвать панику и хаос... Да, сначала они пройдут через стадию неприятия и попробуют нанести по нам ответный удар...

Но после того, как они убедятся, что почти все их ракеты были сбиты, а русские в ответ нанесли вдесятеро превосходящий удар... что-то внутри у англосаксов сломается... и они превратятся в вечно плачущих истеричек и неудачников.  Типа хохлов, да.)

Аватар пользователя Михайлыч
Михайлыч(4 года 5 месяцев)

Охреносоветь и не встать! 

Аватар пользователя mikkimouke
mikkimouke(2 года 1 месяц)

Какие выводы можно сделать из этого эксперимента?)

Такие, что мысленный эксперимент позволяет многое, а консенсус между учеными формируется за рюмкой чая, а не в мозгу экспериментатора, и ничем подтвержден быть не может. 
Вон, у Шредингера котэ и жив, и мертв, одновременно, но на самом-то деле, Шредингер просто не знает, как там дела, и фантазирует. А такой красивый эксперимент, казалось бы.  А когда этим мыслителям говорят, что это бред, они так через губу - заткнись и считай, математика рулит. - А как математика соотносится с реальностью? - тыыы, заткнись и считааай, математика допускает, что центр шара находится в любой точке внутри него!!! иди считааай!!! И вот так кистью от себя пренебрежительно...

А потом люди годами ищут эффекты квантовой суперпозиции, забывая, что это только продукт мыслительного эксперимента, никогда не подтвержденного реальным.

Комментарий администрации:  
*** отключен (дезинформация, оправдание мятежников) ***
Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(8 лет 4 месяца)

Будь вы девушкой, я бы попробовал... объяснить вам... разжевав, буквально, до состояния каши... Но вы же не девушка? Уж не знаю, к счастью или...

Кароч, мужик должен до всего дойти сам! Будь то Наполеон, Гитлер или Зеленский. И ответить по полной за свой выбор. Вон, Гитлер с Наполеоном ответили...

Полагаете, это не касается физики? Касается, и ещё как касается!)

Аватар пользователя mikkimouke
mikkimouke(2 года 1 месяц)

Что именно Вы могли бы попробовать мне разъяснить?

Комментарий администрации:  
*** отключен (дезинформация, оправдание мятежников) ***
Аватар пользователя быкап
быкап(9 лет 2 недели)

Емнип, у одного-единственного фотона может наблюдаться интерференция. Самого с собой. Опыт Уилера.

Аватар пользователя Kasapius
Kasapius(4 года 4 месяца)

 Ещё и эффект "старения" или " потере энергии" фотоном" .

Мы знаем , что ничего не знаем.

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

"эффект старения" обесценивает "божественную" теорию большого взрыва.

Поэтому - анафема!

Аватар пользователя просто пользователь

E2 - E4

Аватар пользователя Cobold
Cobold(11 лет 8 месяцев)

Отличные вопросы! 

А как бы вы на них ответили, с позиции эфиродинамики?

Аватар пользователя DMatrix
DMatrix(8 лет 4 месяца)

Мне кажется, просто волновая структура света несколько сложнее, чем просто одна волна. И даже сложнее, чем классическая структура Френеля.

Отсюда и необходимость вводить частицы-фотоны, потому что эта структура содержит сгустки-аттракторы, которые и ведут себя как частицы.

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

По описании свойств света упущено основное свойство - рассеивание потока.

Возможно из-за введения в заблуждение из-за аналогии с рассеиванием заряда дроби, или рассеиванием потока метеоров, но в в этих случаях причины известны и определенны.(два кирпича, летящие в вакууме не имеют причин ни для схождения, ни для расхождения траектории без внешнего влияния)

И неприемлемо их сравнивать с потоком частиц(?) световой скорости.(например две частицы световой скорости не могут влиять друг на друга, поскольку распространение их электромагнитной(?) волны будет 'отставать' от одновременно перемещающихся частиц(?).

Аватар пользователя Чебуран
Чебуран(9 лет 3 месяца)

А фотоны всегда идут из точки А в точку Б

или могут из точки А хрен знает куда? 

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

Фотоны идут из точечного источника А - куда-нибудь.

Но часть их линзой перенапраляем в параллельный поток.

Оп-па -- ничего не получилось, всеравно рассеивается.

Аватар пользователя Чебуран
Чебуран(9 лет 3 месяца)

Фотон – это квант электромагнитного электромагнитного взаимодействия, не?

Аватар пользователя stop
stop(2 года 10 месяцев)

"Часть команды - часть корабля"

Волна(вихрь) создаёт частицу(?) в движении. Частица "в движении" создаёт волну.

Остаётся только завидовать КПД этого механизма.

(Волна(вихрь) чуть меньше размера вселенной. Но это неточно.)

Аватар пользователя kvg1967