Фотоны что это такое
Что такое фотон в физике?
Фотон – это частица света, определенная как дискретный пучок (или квант) электромагнитной (или световой) энергии. Фотоны всегда находятся в движении, даже в вакууме (абсолютно пустом пространстве), имеют постоянную скорость света для всех наблюдателей и равен 2,998 х 108 м/с.
Основные свойства фотонов
Согласно фотонной теории света, фотоны:
История фотонов
Термин “фотон” был придуман Гилбертом Льюисом в 1926 году, хотя понятие света в форме дискретных частиц существовало на протяжении веков и было формализовано в ньютоновской конструкции науки оптики.
Однако в 1800-х годах волновые свойства света (под которыми понимается электромагнитное излучение в целом) стали очевидными, и ученые по существу выбросили теорию частиц света из окна. Только когда Альберт Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, теория частиц вернулась.
Корпускулярно-волновая двойственность
Как уже упоминалось выше, свет обладает свойствами как волны, так и частицы. Это было поразительное открытие и безусловно, находится за пределами того, как мы обычно воспринимаем вещи. Бильярдные шары действуют как частицы, а океаны – как волны.
Одним из следствий этой корпускулярно-волновой двойственности (или корпускулярно-волновой двойственности) является то, что фотоны, хотя и рассматриваются как частицы, могут иметь частоту, длину волны, амплитуду и другие свойства, присущие волновой механике.
Фотон
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Корпускулярно-волновой дуализм
Вопрос, на который вам однозначно не ответит никто: «Свет — это частица или волна?». Это очень сложный вопрос, на который ученые давно пытаются ответить.
В XVII веке Исаак Ньютон предложил модель, в которой свет — поток мельчайших корпускул (частиц). Это позволяло просто объяснить многие характерные свойства света. Например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Это соотносится с законом сохранения импульса, которому подчиняются частицы.
Но есть такие явления, как интерференция и дифракция. Они совсем не вписываются в корпускулярную теорию.
Интерференция и дифракция
Интерференция — это явление, при котором происходит наложение двух волн и образуются так называемые «максимумы» и «минимумы» — самые светлые и самые темные участки. Выглядит это так:
В жизни вы это встречали, например, если видели разлитый бензин или пускали мыльные пузыри. Это все следствие интерференции света.
Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн.
Дифракция — это явление огибания препятствий, которые возникают перед волной. Благодаря дифракции свет может огибать препятствие и попадать туда, где с точки зрения геометрии должна быть тень.
В XIX веке появилась волновая теория света, которая объясняла дифракцию и интерференцию. Согласно этой теории, свет — частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения электромагнитного поля в пространстве.
Волновая оптика вообще казалась в то время каким-то чудом, потому что она объясняла не только те явления, которые не объясняла корпускулярная теория, но и вообще все известные на то время световые эффекты. Даже законы геометрической оптики можно было доказать через волновую оптику.
Казалось бы, ну все тогда — у света волновая природа, никаких тебе частиц, расходимся. Но не тут-то было! Уже в начале XX века корпускулярная теория света снова набрала актуальность, так как ученые обнаружили явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Например, давление света и фотоэффект, о которых мы еще поговорим.
В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили название — фотоны.
Сложилась интересная ситуация — параллельно существовали две серьезные научные теории, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории идеально дополняют друг друга. Так мы подошли к понятию корпускулярно-волновой природы света.
Корпускулярно-волновой дуализм — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.
Энергия и импульс фотона
Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.
Энергия фотона (соотношение Планка-Эйнштейна)
E — энергия фотона [Дж]
h — постоянная Планка
ν — частота фотона [Гц]
Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:
Соотношение импульса и энергии фотона
p — импульс фотона [(кг*м)/с]
E — энергия фотона [Дж]
с — скорость света [м/с]
Подставляем вместо E формулу энергии фотона: p = hv/c
А вместо частоты формулу v = с/λ: p = hc/cλ
Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.
Импульс фотона
p — импульс фотона [(кг*м)/с]
h — постоянная Планка
λ — длина волны [м]
Давление света
Сила Лоренца — это сила, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле.
Если рассматривать свет как совокупность фотонов, то можно предположить, что свет, как и любая другая электромагнитная волна, может оказывать давление. Именно такое предположение сделал Джеймс Максвелл в 1873 году и не прогадал.
Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов. Каждый фотон обладает импульсом p = hv/c.
Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен p = hv/c * N.
Из механики известно, что давление — это отношение силы к площади, на которую эта сила воздействует: p = F/S.
Не перепутайте: импульс и давление обозначаются одинаковой буквой, но величины разные!
Второй закон Ньютона в импульсной форме имеет вид F = p * Δt, где p — это импульс, а Δt — промежуток времени, за которое импульс меняется на значение p.
Тогда световое давление определяется так: p = F/S = (p * Δt)/S = hvN/Sc.
Опыты Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом.
Фотоэффект
Еще одно важное явление, подтверждающее корпускулярную природу света, — это фотоэффект. Пока разберем только принцип этого явления, а сложную математику оставим на другой раз. 😉
На рисунке представлена экспериментальная установка для исследования фотоэффекта.
Установка представляет собой стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, к которым прикладывается напряжение. Один из электродов через кварцевое окошко освещается монохроматическим светом (монохроматический свет — это свет, длина волны которого неизменна). Под действием фотонов из отрицательно заряженного электрода выбиваются так называемые фотоэлектроны. Они притягиваются к положительному электроду и образуется фототок.
Многочисленные экспериментаторы установили основные закономерности фотоэффекта:
Эйнштейн исследовал фотоэффект и пришел к выводу, что свет имеет прерывистую структуру, то есть состоит из фотонов.
Фотоэффект используется, например, в датчиках света. Уличные фонари, оборудованные датчиками света, включаются автоматически при определенном уровне естественного освещения.
Техническое применение фотонов
Важное техническое устройство, использующее фотоны — лазер. Лазеры применяют во многих областях технологии: с их помощью режут, варят и плавят металлы, получают сверхчистые металлы. На лазерах основаны многие точные физические приборы — например, сейсмографы. Ну а с лазерными принтерами и указками вы наверняка знакомы.
На определении местоположения фотонов основаны многие генераторы случайных чисел. Чтобы сгенерировать один бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель — штуку, которая разделяет свет на два потока.
Для любого фотона существует лишь две возможности, причем с одинаковой вероятностью: пройти лучеделитель или отразиться от его грани. В зависимости от того, прошел фотон через лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается 0 или 1.
Фотоны что это такое
Фотон. Строение фотона. Принцип перемещения.
Часть 1. Исходные данные.
Часть 2. Основные принципы строения фотона.
Часть 3. Квант энергии и квант массы.
Часть 4. Основные принципы перемещения фотона.
Часть 1. Исходные данные.
1.2. Фотон не может быть разделен на несколько частей и не распадается спонтанно в вакууме.
1.3. Фотон является истинно электронейтральной частицей. Скорость перемещения (движения) фотона в вакууме равна «с».
1.6. Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм:
— с одной стороны фотоны демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона;
— с другой стороны фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами) или считаются точечными (электрон).
1.7. Учитывая тот факт, что одиночные фотоны демонстрирует свойства волны, вполне достоверно можно утверждать, что фотон представляет собой «миниволну» (отдельный, компактный «кусочек» волны). При этом должны учитываться следующие свойства волн:
б) половина энергии электромагнитных волн (и фотона) является магнитной.
в) для характеристики интенсивности волнового процесса используют три параметра: амплитуда волнового процесса, плотность энергии волнового процесса и плотность потока энергии.
1.8. Кроме того, при рассмотрении схемы строения фотона и принципа его перемещения были учтены следующие данные:
б) график изменения поля фотона никак не может быть куском обрезанной синусоиды, т.к. в местах обрезки возникали бы бесконечные силы;
Рис. 1. Фотон является материальной частицей и представляет собой компактный (имеющий начало и конец), неделимый «кусочек» волны, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. Магнитные поля условно не показаны.
Часть 2. Основные принципы строения фотона.
2.2. Таким образом, учитывая вышесказанное можно сделать вполне однозначный вывод: фотон является компактной (имеющий начало и конец), материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс-минус) и двух магнитных (N-S) полей, способных распространяться от своих источников без затуханий (в вакууме) на сколь угодно большие расстояния. См. рис.2.
Рис.2. Фотон представляет собой совокупность двух электрических полей (плюс и минус) и двух магнитных полей (N и S). При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона. В данной работе принимается, что электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S.
Часть 3. Квант энергии и квант массы.
3.1. С одной стороны фотон представляет собой компактную, неделимую частицу, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть фотон имеет вполне реальный линейный размер (начало и конец).
Рис.3.
а) «нормальный» фотон (электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля);
б) тот же фотон из «усреднённых» квантов. Можно допустить, что любой фотон состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии;
а) элементарный квант невозможно разделить на две равные части, поскольку это автоматически будет являться нарушением закона сохранения заряда;
б) от элементарного кванта также невозможно «отрезать» более мелкую часть, поскольку это автоматически приведет к изменению значения постоянной Планка (фундаментальной константы) для этого кванта.
Часть 4. Основные принципы перемещения фотона.
4.1. Перемещение материального фотона-частицы может осуществляться только двумя способами:
Вариант-1: фотон перемещается по инерции;
Вариант-2: фотон является самодвижущейся частицей.
4.2. По неизвестным причинам, именно инерционное движение электромагнитных волн (и фотонов) либо подразумевается, либо упоминается и графически показывается практически во всех статьях по электромагнитным волнам, например: Wikipedia. Electromagnetic radiation. English. См. рис.4.
Рис.4. Пример инерционного перемещения фотона (Wikipedia. Electromagnetic radiation). Фотон перемещается мимо наблюдателя слева направо со скоростью V = «с». При этом все лепестки синусоиды не меняют своих параметров, то есть: в системе отсчёта фотона они абсолютно неподвижны.
4.3. Однако инерционное движение фотона невозможно, например, по следующей причине: при прохождении фотона сквозь препятствие (стекло) его скорость уменьшается, но после прохождения препятствия (одного или нескольких) фотон вновь «мгновенно» и восстанавливает свою скорость до «с» = const. При инерциальном движении такое самостоятельное восстановление скорости невозможно.
4.4. «Мгновенный» набор скорости фотоном (до «с» = const) после прохождения препятствия возможен только при условии, если сам фотон является самодвижущейся частицей. При этом механизмом самопередвижения фотона может являться только переполюсовка имеющихся в наличии электрических (плюс и минус) и магнитных (N и S) полей с одновременным смещением фотона на полпериода, то есть с удвоенной частотой (2* f ). См. рис.5.
4.5. Объяснение механизма перемещения фотона основывалось на следующих данных:
а) электромагнитное поле фотона представляет собой совокупность переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей;
в) магнитное поле появляется только при наличии изменяющегося во времени электрического поля и наоборот (всякое изменение электрического поля возбуждает магнитное поле и, в свою очередь, изменение магнитного поля возбуждает поле электрическое). Поэтому магнитные поля фотона могут возникнуть только при наличии у фотона переменных по знаку и изменяющихся во времени электрических полей (в системе отсчёта фотона).
4.6. При объяснении механизма переполюсовки фотона рассматривались следующие варианты:
а) наличие свободного пространства впереди фотона. Фотон представляет собой компактный, неделимый «кусочек» волны в виде синусоиды, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть: «тело» фотона имеет вполне реальную геометрическую длину (начало и конец). Движение фотона происходит за счёт перемещения фотона на расстояние одного полупериода (1/2L) за каждый акт переполюсовки. И это перемещение всегда может происходить только в одну сторону (вперед), где перед фотоном имеется в наличии свободное пространство;
5.1. Фотон является локализованной (компактной) материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс и минус) и двух магнитных (N и S) полей, значения которых возрастают от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона.
5.2. В результате основного фундаментального превращения в Природе нематериальная кинетическая энергия заряженной частицы преобразуется в материальную энергию электрических и магнитных полей фотона. Фотон материален и состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии, которые автоматически являются элементарными квантами массы.
5.3. Фотон является самодвижущейся частицей способной перемещаться от своего источник на сколь угодно большие расстояния (в вакууме). Ему не требуется среда для своего перемещения. Движение фотона происходит за счёт переполюсовки переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей, во время которой фотон смещается на расстояние одного полупериода за каждый акт переполюсовки.
5.4. В данной работе принимается, что в каждом элементарном кванте электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S. Другие варианты стыковки полей требуют дополнительных проработок и в данной работе не рассматривались.
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.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Размышления о фотонах, их взаимодействии с веществом и зеркалах.
Листая пикабу наткнулся на пост человека, где он просил объяснить ему как фотоны отражаются от предметов. Этим постом я постараюсь дать ответ на этот вопрос.
Для начала поймем что такое фотон.
Википедия нам говорит:
Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.
Но что это значит? В квантовой теории поля(основы современной физики частиц) все взаимодействия между чем угодно и чем угодно описываются с помощью так называемых частиц переносчиков. Два взаимодействующих объекта обмениваются переносчиками и посредством этого взаимодействуют, как два играющих в мяч мальчика. Один мальчик пинает мяч, который прилетая ко второму мальчику касается его и толкает немного, то есть оказывает на него воздействие. Так вот, фотон частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Но откуда они рождаются когда два тела взаимодействуют, есть же закон сохранения энергии, закон сохранения импульса? Теперь вспомним(или узнаем:) школьную физику 11-го класса. А именно неравенство Гейзенберга.(про него мы еще раз вспомним чуть позже)
Что он нам даёт в этом случае? А то, что закон сохранения энергии может нарушаться на короткое время. Так и рождаются виртуальные фотоны, которыми и обмениваются взаимодействующие объекты.
Как происходит комптоновское рассеяние? Фотон «налетает» на частицу и поглощается ей на короткое время(мы же помним про неравенство Гейзенберга, оно нам позволяет это делать) и его энергия и импульс «как бы» исчезают в частице.
Потом частица рождает новый фотон и он вылетает уже под каким-то углом к изначальному направлению(иногда и нулевым). Нам важно что он может родиться и улететь назад. При этом он отдает часть энергии и импульса частица, на которой рассеялся. Теперь надо понять, что улетая назад, фотон хоть и меняет свою энергию(а значит и длину волны), но не сильно(для фотонов видимого света и более высоких энергий это верно). Можете сесть честно руками посчитать как изменится энергия фотона при рассеянии его на покоящемся ядре назад. Закон сохранения импульса, закон сохранения энергии в помощь. Но главное что длина волны меняется не сильно для фотонов видимого диапазона.
Тогда посмотрим на зеркало внимательнее. А точнее на процесс отражения света.
Свет это что? Правильно, электромагнитная волна, а точнее электромагнитное поле. А значит много-много фотонов. Налетая на зеркало они встречаются с веществом и частицами в нем(а мы помним, что вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядра и электронов и так далее до кварков, глюонов и других петлевых поправок). Теперь вспоминаем что фотоны могут рассеиваться назад на частицах. Ух ты, у нас налетел поток фотонов и часть из них рассеялась назад и полетела обратно! Вот и отражения света от вещества! Ура, мы поняли почему мы хоть что-то видим в этом мире(не до конца, но поняли).
Стоит отдельно отметить, что на использованные свойства фотона его безмассовость не влияет, так как он на очень короткое время исчезает и потом новый фотон летящий к нам в глаз рождается.
Ну и напоследок задачка.
Почему в зеркале право и лево меняются местами, а верх с низом нет? Как связаны с предыдущим вопросом левые и правые тройки векторов и CPT-теорема?
Спасибо за внимание!
Почему в зеркале право и лево меняются местами
Отражение вообще не правильно объяснено. Правильное объяснение идёт через плазмоны в металлах. ( https://ufn.ru/ufn82/ufn82_11/Russian/r8211b.pdf ) А если будет просто рассеяние, то «отражение» будет матовым.
Как работает зеркало?
Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.
Что такое отражение?
Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:
С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).
Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?
Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:
При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.
Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).
Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.
Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.
Поглощение и эмиссия фотонов
Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.
Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.
Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете
Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.
При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.
На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.
Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.
Создано самое тонкое зеркало в мире, не видимое глазом
— Немецкие физики разработали самое тонкое и легкое оптическое зеркало — оно имеет толщину всего несколько десятков нанометров, что в тысячу раз тоньше человеческого волоса;
— Оно состоит всего из одного слоя атомов и не видимо человеческим глазом, но отражение от него прекрасно видно;
— Устройство, в котором создано зеркало, достаточно большое, поэтому новый материал вряд ли будет использоваться в бытовых целях, но научное значение новой разработки огромно;
— Это первые экспериментальные результаты недавно появившегося научного направления субволновой квантовой оптики с упорядоченными атомами.
Оказывается многие пользователи интернета не знают элементарной физики
Пользователи соцсетей решили, что на фото «до и после» разные девушки, из-за «неправильных» татуировок
Видимо, никто и никогда не пробовал делать селфи перед зеркалом.
Эта поучительная история о предубеждении, зависти и идиотах была опубликована на форуме Reddit пользователем @Calamity__ и набрала за несколько дней больше 1,5 тысяч комментариев. Все комментарии без исключения — возмущенные. И это неудивительно.
Суть публикации такова: некая девушка разместила в соцсетях (похоже, это «Фейсбук») две свои фотографии: до и после. На первой фотографии девушка заметно полнее, чем на второй. Судя по всему ей удалось значительно похудеть, о чем она и решила сообщить в интерсети. Кроме того, первый снимок сделан не самой девушкой: ее снимал фотограф. На втором снимке девушка сделала селфи.
Выясняется, что несмотря на то, что мы живем в век повальных селфи, мало кто задумывается, как, собственно, селфи, сделанное с помощью зеркала, влияет на изображение.
Под снимок девушки «до и после» сбежались десятки пользователей соцсети, которые принялись яростно строчить, что девушки на снимках разные.
Ведь — барабанная дробь! — татуировки у них на разных плечах.
Ну что же. Мы рекомендуем всем этим людям взять в руку цветок и сделать с ним два снимка. Один снимок со стороны — попросить кого-нибудь сфотографировать. А второй — селфи в зеркале. Их ждет шокирующее открытие.)))
Новость №618: Физики еще сильнее запутали фотоны
Оптический резонатор
Недавно наткнулся вот на этот https://pikabu.ru/story/lampochka_v_korobke_iz_zerkal_585822. пост и зачем-то почитал комментарии. Тема, которая, многих волновала с детства: что будет, если засунуть лампочку между двумя зеркалами? Оказывается, она будоражит умы всех возрастов, и подчас всплывает (и плюсуется) какая-то совершенная дичь.
Так уж получилось, что описанная конструкция стоит фактически в центре моего образования, так что давайте как-нибудь разберём, что же происходит, когда свет попадает в ловушку между двух зеркал.
На самом деле, описанная конструкция есть очень у многих дома. Но начнём мы немного издалека. С другой конструкции, которая есть почти у всех:
Итак, что же происходит с физической точки зрения, когда мы дёргаем за гитарную струну? В ней возбуждается волна, а точнее можно сказать, что сразу две волны: одна из них бежит в сторону колков, другая — наоборот, в сторону подставки. Достигнув порожков, волна теряет возможность бежать дальше и отражается. Обе наши волны таким образом начинают бегать навстречу друг другу, складываясь и образуя то, что называется стоячей волной.
Частота образующейся волны определяется во многом длиной струны (мензурой), потому что чем длиннее струна, тем больше времени понадобится волне, чтобы пробежать туда и обратно. Зажимая лады, человек уменьшает это время, а значит увеличивает частоту. На самом деле на струне может существовать сразу много волн, а время, необходимое для пробегания струны туда-обратно один раз определяет то, что называется основным тоном. Если бы существовал только он — гитара гудела бы как камертон, а богатство её тембра определяется именно дополнительными волнами — обертонами. И всё же, все они зависят от длины вибрирующей струны.
Вся эта конструкция называется акустическим резонатором. То есть это такая система, по которой волна может гулять туда-сюда, а время пробега по этой системе будет определять частоту волн, которые могут в ней существовать. Акустических резонаторов уйма. Любой музыкальный инструмент содержит их так или иначе, да и не только он.
Естественно, отражаясь от порожков, волна теряет часть своей амплитуды. Другая часть уходит на трение о воздух и другие небольшие потери. Поэтому звучание струны довольно быстро затухает, и пройдя сотенку раз туда-обратно, волна перестаёт существовать. Немного грубо, но на первое время достаточно, можно сказать, что число пробегов, в течение которых волна ещё не затухла, определяется параметром, который называется добротностью резонатора. А кроме того этот параметр отвечает ещё за одну важную характеристику: ширину спектра.
Например, если мы настроили гитару с добротностью 100 на Ля первой октавы (440Гц), то «погрешность» частоты, которую мы услышим, будет не больше 4.4Гц. Поскольку Си бемоль первой октавы — это уже примерно 466Гц такая точность нас вполне устроит. Но вот если мы собрали гитару на коленке и сделали это очень плохо, и добротность у неё получилась всего 10, то во-первых звук такой гитары будет слышно очень недолго, а во-вторых он будет «размазан» по частотам и понять, что мы там за ноту сыграли будет уже непросто. То есть короткая нота => широкий спектр, узкий спектр => долгая нота.
Хорошо, а при чём тут два зеркала?
А при том, что многие знают, что свет — это электромагнитная волна. Конечно, тут сейчас должна появиться куча умников, которые скажут, что свет — это и частицы, и вообще. Но ребят, не стоит вскрывать эту тему. Корпускулярные свойства света значительно сложнее для описания, чем волновые, и абсолютно большая часть того, что пишут пикабушники о фотонах — лютая дичь. Фотоны — это сложно.
Ну а как волна свет умеет бегать между двумя зеркалами довольно долго, и для него становится справедливо всё, что мы говорили о звуке. Таким образом, два зеркала, поставленные друг напротив друга, образуют оптический резонатор.
Свету свойственна дифракция, иными словами расплывание. Поэтому если поставить два обычных зеркала друг напротив друга — очень долго его не удержать. Но дифракцию несложно скомпенсировать, сделав одно или оба зеркала вогнутыми. Такой резонатор может стать устойчивым, то есть «удерживать» в себе свет (если он туда как-то попал) сравнительно долго.
Как мы уже знаем, это «долго» характеризуется добротностью. Так вот, если для акустических резонаторов хорошие добротности бывают порядка 100—1000, то для оптических резонаторов добротности могут достигать миллионов и даже миллиардов. Иными словами, у людей есть достаточно хорошие зеркала, чтобы свет «бегал» между ними очень много раз. Хотя самые хорошие резонаторы делаются заметно сложнее, чем просто двумя зеркалами, но всё же. К сожалению, свет бегает так быстро, что даже при добротности в 10 000 000 не очень-то видно, что вспышка удлиняется. Но главная проблема даже не в этом. Ведь существуют резонаторы с добротностью около триллиона, хоть они и устроены несколько сложнее.
Главная проблема, естественно, состоит в том, что мы не можем посмотреть. Если открыть окошко, или поместить внутрь датчик, или сделать что угодно ещё, чтобы зарегистрировать, бегает ли ещё наш свет — добротность тотчас упадёт драматически. Так же и идеальную гитару, с очень высокой добротностью, звучащую бесконечно долго и на строго одной ноте невозможно было бы услышать: пока есть воздух, способный «принести» нам её звук, будет и трение об этот воздух.
Кроме прочего, в обсуждении всплывала идея сделать зеркала прозрачными только «на вход», чтобы накопить побольше света, а потом им бахнуть. Что ж, не смотря на то, что таких зеркал не бывает, идея на самом деле давно реализована и всем знакома. Нет, мы не будем делать зеркало, которое пропускало бы свет только в одну сторону. Но мы можем сделать лучше. Мы можем сделать полупрозрачное зеркало (в обе стороны), а добавлять свет сразу внутри.
Чиво? Объясняю. Проходя, через среду, свет взаимодействует с ней одним из двух способов:
1) поглощение (вошёл фотон, но не вышел, а среда получила энергию).
2) вынужденное испускание (вошёл фотон, а вышло два, а среда отдала энергию).
В обыденной жизни 1 всегда преобладает над 2. Но физики научились создавать то, что называется средой с инверсной заселённостью. Или просто «активной средой«. В активной среде 2 преобладает над 1, и проходя через неё, свет будет усиливаться, покуда мы можем «накачивать» среду энергией.
Теперь представьте, что у нас есть специальный кристалл, проходя через который, свет усиливается на 1%. Тогда возьмём резонатор с добротностью хотя бы 200. То есть такой, что за один пробег свет теряет в нём 0.5% энергии. Как я говорил, люди умеют делать резонаторы и сильно лучше. Конечно, там используются не бытовые зеркала вроде вашего трюмо, а штуки посложнее, но можно создать зеркало, которое отражает 99.99% света. Это уже давно не новости науки.
Ну а теперь засунем этот кристалл в наш резонатор. Как вы можете понять, с каждым «пробегом» свет будет терять 0.5% и получать 1%, то есть в среднем он будет усиливаться. Усиливаться он будет внутри, а значит и наружу будет выходить всё больше и больше света. И продолжаться это может столько, сколько мы можем подводить энергию для накачки нашей активной среды. Итак, господа, я уже говорил, что подобная конструкция есть у многих. Время раскрыть карты: я только что описал устройство лазера.
Обратим внимание на то, что резонатор с высокой добротностью заставляет свет быть одноцветным, подобно тому, как длина струны настраивает частоту звука. На самом деле цвет лазера определяется в первую очередь активной средой (не бывает сред, которые усиливают любой свет, только какой-нибудь конкретный), но и резонатор вносит определённый вклад в исключительные свойства лазерного луча.
Гифка в начале поста, вызывающая у всех, знакомых с физикой, полный хохотач, на самом деле оказывается очень недалёкой от того, что делается в жизни. Не хватает только активной среды. А вот если бы мультяшные девочки поместили между своими зеркалами активный кристалл — гифка бы фактически была наглядной демонстрацией принципа работы лазера с модуляцией добротности. То есть такого, в котором резонатор сначала «закрыт», чтобы внутри могло накопиться мощное излучение, а потом открывается, чтобы это излучение выпустить. Вот такие пироги.
Ну и напоследок ещё вопрос, который люди обсуждали в оригинальном посте: «А если бы зеркала отражали 100% света — их бы разорвало от перегрева?»
Нет. Если бы зеркала отражали 100% света — греться бы они не могли, ибо греется только то, что поглощает. Но если бы потом на зеркало попала пылинка — да. Другой вопрос, что существует масса странных эффектов, которые случились бы с воздухом между зеркалами. При малых интенсивностях он бы просто поглощал и рассеивал свет, затем начал бы работать как линза (эффект самофокусировки), чем понизил бы добротность резонатора и остановил дальнейший рост энергии. Если бы удалось его ещё как-то нагрузить — воздух бы превратился в плазму, которая непрозрачна. Если воздух откачать напрочь — ограничений вроде как меньше. Только вакуум не может быть активной средой, поэтому лазер из вакуума не создашь. Но если уже заготовленное очень (ОЧЕНЬ) мощное излучение пустить в вакуум — должен наступить его оптический пробой. Многие слышали, что вещество и антивещество, встречаясь, взаимоуничтожаются (аннигилируют). Теоретически, при ОЧЕНЬ мощном излучении может начаться обратный процесс: вещество и антивещество могут рождаться из фотонов, унося их энергию. Экспериментально это проверить очень непросто, ибо любая активная среда сгорит гораздо раньше. Но определённые подвижки в эту сторону есть.
Голоскоп.
Команда физиков провела необычный эксперимент с космическим спутником и выяснила, что благодаря квантовой механике прошлое может определяться настоящим, а принцип причинно-следственных связей ставится под сомнение.
Необычный космический эксперимент подтвердил, что, как и утверждает квантовая механика, реальность — это то, что выбрал сам человек. Физикам давно было известно, что квант света (фотон) будет вести себя как волна и как частица в зависимости от того, как именно ученые измеряют ее. Теперь же, успешно отразив фотон от орбитального спутника, команда исследователей подтвердила, что наблюдатель может решить этот вопрос даже тогда, когда световой квант уже прошел через «точку принятия решений». По словам ученых, подобные эксперименты с отложенным выбором в будущем позволят исследовать границы между квантовой теорией и теорией относительности.
Подобный эксперимент уже проводился в лабораторных условиях, однако на этот раз исследователи доказали, что природа фотона остается неопределенной даже если частице приходится преодолевать тысячи километров. Филипп Гранджи, физик из Института оптики в Палесо, Франция, который в прошлом как раз принимал участие в лабораторном эксперименте, утверждает, что подобные опыты отлично подходят для «осуществления квантовой физики в космосе».
Квантовый дуализм: может ли настоящее определять прошлое?
Так в чем же суть опыта? Напомним, что фотон может проявлять свойства или частицы, или волны, в зависимости от того, какой метод измерения предпочитают ученые. В конце 1970-х годов знаменитый теоретик Джон Арчибальд Уилер понял, что экспериментаторы могут отложить свой выбор до тех пор, пока фотон почти полностью не пройдет сквозь устройство, настроенное на то, чтобы подчеркнуть то или иное свойство частицы. Это показывает, что поведение фотона в данном случае не предопределено. Чтобы проверить свою гипотезу, Уилер предложил по одиночке пропускать фотоны через так называемый интерферометр Маха-Цендера, подчеркивающий волновую природу света. Благодаря зеркальному «расщепителю лучей», устройство разделяет квантовую волну входящего светового потока на две части и направляет их по двум разным путям. После этого второй расщепитель рекомбинирует волны, что вызывает состояние интерференции и активирует два детектора. То, какой детектор поймает сигнал первым, зависит от разницы длин двух световых потоков — ожидаемое поведение для интерферирующих волн.
Но что, если второй разделитель попросту удалить из системы? В таком случае свет перестает проявлять свойства волны: первый разделитель просто отправит фотон по тому или иному направлению, как обычную частицу. А поскольку эти пути пересекаются там, где раньше был второй разделитель, детекторы сработают с одинаковой вероятностью, вне зависимости от длины пройденного фотоном пути. Уилер же предлагает удалить вторую часть устройства уже после того, как первая расщепит световой поток. Это звучит странно, поскольку создает парадокс: решение, принятое в настоящем времени (убрать или не убрать второй разделитель) определяет событие прошлого (расщепляется ли фотон как волна или же проходит по одной траектории как частица). Современная квантовая теория избегает комментариев по этому поводу, предполагая, что до самого факта измерения фотон остается как частицей, так и волной.
Новый эксперимент: путешествие в космос и обратно
Новая команда исследователей во главе с Франческо Ведовато и Паоло Виллорези из Университета Падуи в Италии провела свою версию эксперимента с использованием 1,5-метрового телескопа в Лазерной обсерватории «Матера» на юге Италии. Идея была в том, чтобы отправить фотоны в космос, после чего те отразятся от спутника. Дело в том, что, как отмечает Виллорези, на таких огромных расстояниях физики не могут провести свет двумя идеально параллельными путями — расширяющиеся в пространстве лучи будут неизбежно сливаться и перекрывать друг друга. Вместо этого они пропускают фотон через интерферометр Маха-Цендера на Земле, настроенный на траектории выхода разной длины. Разница между импульсами составляет 3,5 наносекунды, а сами вылетающие частицы телескоп выпускает в небо.
Как только импульсы отразятся от спутника и вернутся на нашу планету, физики снова пропускают его через интерферометр. Устройство при этом может отметить или временной сдвиг (что означает, что импульсы перекрыли друг друга и фотон повел себя как волна), или его отсутствие (то есть фотоны ведут себя как частицы). Когда импульсы в первый раз покидают устройство, они обладают различной поляризацией. Чтобы отметить сдвиг во времени, физики сначала должны провести очень быструю электронную реполяризацию, а чтобы доказать его отсутствие, достаточно просто не проводить никаких манипуляций.
В результате все прошло так же, как и в лабораторных условиях. Когда на фотоны воздействовали ученые, кванты света вели себя как волны; когда их оставляли в покое — как частицы. Таким образом, физики сами решали природу света уже после (!) того, как тот отразится от спутника и будет на полпути обратно, о чем и рассказали на страницах журнала Science Advances.
Значение и критика эксперимента
Сам по себе эксперимент пусть и не является идеально точным и строгим отображением идеи Уилера, все же заслуживает внимания. Это отличный пример работы принципов «квантовой оптики» и в будущем подобные открытия могут оказать огромное влияние на технологии связи. За примером далеко ходить не надо: уже в мае 2017 года китайские физики использовали спутник для создания квантовой связи (т. н. «квантовой запутанности») между двумя фотонами, отправленными в разные города, значительно отстоящие друг от друга.
Строго говоря, эксперимент все же не нарушает причинно-следственные связи. Следует выразиться точнее: он проливает определенный свет на границу, разделяющую квантовую теорию и теорию относительности. Фактически, физикам удалось доказать, что измерения в настоящем может значительно повлиять на прошлое — вернее, на то, как человек воспринимает это самое прошлое. По словам Жан-Франсуа Роха, физика в Высшей школе стандартизации в Париже, который в 2007 году провел аналогичный, но более точный тест, в данном случае речь идет о малоизученной области физики, в которой две фундаментальные теории вступают во взаимодействие и порождают нечто совершенно новое.