Чем фотон красного света может отличаться от фотона синего света?

Некоторые области физики противоречат интуиции. Для них ваш повседневный опыт — плохое руководство к тому, как на самом деле работает Вселенная. Это одна из таких областей.

Фотоны не имеют массы. Все они имеют одинаковую скорость. Тем не менее, у них есть энергия и импульс, и это не то же самое для всех фотонов.

Если вы привыкли$p = mv$, это не имеет смысла. Объяснение простое.$p = mv$не относится к фотонам. Это относится к массивным объектам на малых скоростях, а фотоны — нечто иное.

Один из способов разобраться в фотонах — относиться к ним как к чему-то новому. До того, как вы столкнулись с квантовой механикой, вы никогда не сталкивались с чем-то вроде частицы и вроде волны. Итак, каковы свойства этой новой и отличной вещи?

Возбужденный атом может перейти в основное состояние и в то же время испытать отдачу. Через некоторое время другой атом, находившийся в покое по отношению к первому, может испытать отдачу в противоположном направлении и перейти в возбужденное состояние. Фотон — это то, что происходит между ними. Подобные эксперименты показывают, что у фотона достаточно энергии, чтобы возбудить атом, и достаточно импульса, чтобы дать ему отдачу. Они показывают, что фотон похож на частицу.

Эксперименты с дифракционными решетками показывают, что фотоны имеют частоту и длину волны, а более высокая частота/более короткая длина волны соответствуют более высоким энергиям и импульсам.

Я умалчиваю о других нелогичных результатах, таких как неопределенность импульса.

Сказав так много, я надеюсь, что не запутаю воду, заявив, что не существует таких вещей, как красный или синий фотон. Это возвращает к относительности. У вас есть некоторый повседневный опыт работы с теорией относительности Галилея, которая не совсем отличается от специальной теории относительности.

Предположим, вы плывете в космосе и натыкаетесь на камень. Если камень не движется быстро, он мягко касается вас. Если он движется быстро, он наносит урон. Но вы не можете точно сказать, как движется камень. Вы можете только сказать, как быстро он движется по отношению к вам. Два человека могли видеть один и тот же камень. Один мог видеть, что он движется медленно, а другой быстро. Они не согласились бы с тем, сколько энергии и импульса имеет скала.

Предположим, вы сидите в лодке и смотрите, как плывут волны. Вы считаете пики, проходящие в секунду, чтобы получить частоту. Если вы движетесь в волны, вы чаще сталкиваетесь с пиками, и ваше значение частоты возрастает. Вы также видите, как волны движутся быстрее по отношению к лодке. Расстояние между вершинами не меняется.

Фотоны не имеют массы и их скорость всегда равна c. Но их энергия и импульсы ведут себя примерно так, как вы ожидаете, наблюдая за камнями. Их частота ведет себя примерно так, как вы ожидаете, наблюдая за волнами на воде или звуковыми волнами. Есть различия в деталях, но ваша интуиция может быть чем-то вроде руководства.

Фотоны подобны камням: разные атомы воспринимают разную энергию и импульс в зависимости от того, как они движутся. Если мы повторим эксперимент с возбужденным атомом с атомами, которые приближаются друг к другу, мы обнаружим, что отдача выше, чем у покоящегося атома, фотон имеет энергию выше, чем необходимо для возбуждения атома. Интуитивная часть состоит в том, что фотон «бьет сильнее», когда вы сталкиваетесь с ним вверх по течению. Противоречащая интуиции часть заключается в том, что фотоны всегда движутся со скоростью с, поэтому они падают с одной и той же скоростью.

Вы также получаете получувствительные результаты, когда атом и дифракционная решетка приближаются друг к другу. Подобно водяным волнам, дифракционная решетка чаще встречает пики и видит более высокую частоту. Парадокс заключается в том, что скорость не меняется, но расстояние между пиками становится короче. Дифракционная решетка отражает фотоны под другим углом.

Так что не существует таких вещей, как красный или синий фотон, потому что важно, как быстро движется объект, с которым он сталкивается. Объект, в который он попадает, увидит его красным или синим, а что-то другое увидит его иначе. Но опять же, это контринтуитивно. Несмотря на то, что фотон всегда достигает скорости с, разница есть. Это становится более интуитивным, когда вы думаете об относительной скорости между объектом, в который попали, и объектом, испустившим фотон.

Квантовая механика часто бывает такой. Есть два взаимодействия, и все складывается до и после. Но то, что происходит между ними, может быть туманным. Фотон или электрон испускается источником. У него нет траектории, а только волна, описывающая вероятности. Потом что-то натыкается. Отдача источника и цели совпадают.

Интуиция заставляет людей искать более глубокую теорию, которая объясняет больше. Если есть причина, должно быть предсказуемое следствие. Оказывается, эта интуиция ведет по ложному пути. Так работает Вселенная. Лучше всего найти способы привыкнуть к этому.

Они отличаются своей энергией. Специальная теория относительности утверждает, что$E=\sqrt{m^2c^4 + p^2c^2}$. Для массивной частицы существует однозначное соотношение между ее энергией и скоростью. В пределе$m \rightarrow 0$это уже не так. Все безмассовые частицы движутся со скоростью света, но их энергия/импульс могут различаться.

Единственная разница между ними заключается в энергии, которую они имеют.

Важно знать, что хотя фотоны всегда не имеют массы и всегда движутся со скоростью света, это не означает, что они всегда имеют одну и ту же энергию, как видно из приведенного выше уравнения.

Позвольте мне добавить несколько вещей.

1. Фотон — это элементарная частица, и пока он распространяется, он находится в суперпозиции состояний, то есть находится в суперпозиции частот и не имеет четко определенной частоты. Вы не можете узнать его частоту, пока не взаимодействуете с ним или не поглотите его.

Как квантово-механическая сущность, фотоны могут находиться в суперпозиции.

Существует ли один белый фотон?

2. Фотон, пока он распространяется, можно рассматривать из разных систем отсчета, а поскольку универсальной системы отсчета не существует, фотон с красной длиной волны можно рассматривать как синий из другой системы отсчета. Вы не можете узнать его частоту, пока не взаимодействуете с ним или не поглотите его.

Почему движение излучателя (доплеровский сдвиг) влияет на энергию фотонов?

3. Допустим, вы испускаете фотон с синей длиной волны, и он путешествует в расширяющемся пространстве и подвергается космологическому красному смещению. Поглотитель увидит его как фотон с красной длиной волны. Кто прав, вы бы назвали это фотоном с синей или красной длиной волны?

https://en.wikipedia.org/wiki/Красное смещение

Этот вопрос все еще полностью определен в физике, потому что они требуют, чтобы анализ света был двойственным; в котором они понимаются как оба:

1) «частица», называемая фотоном.

2) «безмассовая волна», измеряемая ее частотой. Я считаю, что теоретический вопрос лежит между:

А) «Ньютоновская физика» (правила, управляющие нашим пониманием физики, выходящей за пределы атомного уровня); этот набор правил точно описывает «гидродинамику» (правила, регулирующие наше понимание физики жидкостей и газов) и «тепловую динамику» (правила, регулирующие наше понимание физики теплообмена и молекулярного сгорания).

Б) «Электродинамика» (правила, регулирующие наше понимание физики атомной и электромагнитной энергии), которая, казалось, не следовала этим же теоретическим правилам.

Мост между этими двумя областями, я считаю, находится в правилах «Общей теории относительности» (правила, управляющие физикой «Материи», движущейся медленнее скорости света) и «Специальной теории относительности» (правила, управляющие физикой со скоростью света). и/или без «массы» ).

Когда мы обсуждаем особенности «света» с точки зрения цвета, мы наблюдаем за волновой частотой светового луча. В этом анализе мы не включаем Материю фотона как «частицу». Скорее, мы анализируем его «энергетический выход» как волну с определенной частотой, способную передаваться через вакуум (тем самым мы понимаем, что она не требует какого-либо компонента Материи, которым мы отрицаем Массу).

На приведенной ниже диаграмме показаны различные энергетические частоты как видимого спектра, так и большей электромагнитной шкалы от излучения до радиоволн.



Продолжающийся вопрос заключается в том, что мы можем наблюдать, как эти электромагнитные и световые явления вызываются различными физическими объектами и, хотя и в самых экстремальных обстоятельствах, «Слабой силой» (гравитацией) . Поскольку мы наблюдаем это, мы предполагаем, что у света и энергии есть свойства, которые подразумевают «осязаемую частицу», движущуюся по пути. Таким образом, в настоящее время мы рассматриваем свет теоретически как «частицу» и «волну» одновременно, хотя это может показаться неуместным. Насколько мне известно, «Материальный состав» фотона еще предстоит установить, за исключением некоторых его наблюдаемых характеристик. Я считаю, что это одна из текущих проблем, лежащих в основе неустановленной теории согласования «квантовой механики».(правила, управляющие физикой на субатомном уровне, к которым относится фотонная частица) и «Общая теория относительности» .

«другой цвет» — это ощущение в вашем мозгу. Красный и синий — это разные ощущения, корень разных ощущений — какое-то другое свойство фотона, которое может вызывать разные чувства.

В случае человеческого глаза свойство, которое определяет разницу в ощущениях, — это частота/энергия фотона. Фотоны с разной энергией воздействуют на световые сенсоры сетчатки с разной силой. Синие фотоны больше стимулируют синие сенсоры, красные фотоны больше стимулируют красные сенсоры, в результате чего в мозгу появляется другое ощущение цвета.

В условиях очень низкой освещенности, например ночью, датчики света четвертого типа, которые реагируют на разные фотоны видимого света не очень по-разному, стимулируются гораздо сильнее, чем датчики синего и красного цветов, тогда большая часть визуальных сигналов, посылаемых в ваш мозг, исходит от этого четвертого типа. датчик освещенности, и поэтому вы больше не можете хорошо различать цвета при слабом освещении.

Все это для человеческих глаз. Другие глаза (в том числе биоинженерные глаза) могут иметь разные типы датчиков цвета и даже не генерировать сигнал в мозг на основе свойства частоты/каждого, а на других свойствах, таких как поляризация?