Что такое световые волны?

Может быть полезно начать это объяснение с происхождения световой волны: колеблющегося заряда. Начните с идеи, что неподвижный заряд окружен электрическим полем, а затем представьте, что этот заряд качается вверх и вниз. Теперь линии поля превратятся в изгибы, а не в прямые линии. Эти извивающиеся силовые линии — это электромагнитные волны, которые мы называем «светом» (см. анимацию ). Оказывается (как сказано в другом ответе), что электрическая и магнитная части волны помогают друг другу и позволяют волне очень эффективно распространяться в свободном пространстве. Теперь представьте, что происходит, когда эта волна сталкивается с неподвижным зарядом (назовем его «детекторным» зарядом): волнообразное электрическое поле будет тянуть заряд вверх и вниз, и «детекторный» заряд начнет колебаться.

Если эти заряды представляют собой электроны, окружающие атомы, тогда вы начинаете понимать, откуда исходит свет и как его обнаруживают. Мы также видим, как волна распространяется в вакууме: нет несущей ее среды. Это одна из замечательных особенностей электромагнитного излучения.

Что касается фотонов, то это сложная концепция, которая до сих пор вызывает споры между экспертами. Фотон — это представление света, которое полезно только тогда, когда световой луч очень слаб (поэтому фотодетектор издает отчетливые щелчки) или специально подготовлен в специальном состояние ровно с одним (или точно$N$) фотоны.

Свет, который мы видим своими глазами, — это электромагнитное излучение , очень хорошо моделируемое уравнениями Максвелла .

Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющиеся поперечные колебательные волны электрического и магнитного полей. Эта трехмерная анимация показывает плоскую волну с линейной поляризацией, распространяющуюся слева направо. Обратите внимание, что электрическое и магнитное поля в такой волне находятся в фазе друг с другом, одновременно достигая минимума и максимума.

Как говорится в другом ответе, это было нормально, пока фотоэлектрический эффект не показал, что свет состоит из миллионов фотонов , элементарных частиц в базовой квантово-механической структуре, из которой возникают классические поведения . В ссылке это продемонстрировано, но это не простая математика, для этого нужны аспирантские курсы по физике и математике, возможно, в вашей будущей учебе.

Когда мы рисуем световую «волну», что это значит? фотон движется вверх и вниз?

Миллионы фотонов объединяются по фазе, создавая колебания классических электрического и магнитного полей вверх и вниз.

То, как классическое волновое поведение возникает из миллионов фотонов, не простое, оно связано с квантованием уравнений Максвелла. Я надеюсь, что это поможет в ваших будущих планах на учебу.

Поскольку это еще не было заявлено, я просто хотел бы высказать свою позицию по этому поводу.

Все элементарные частицы можно рассматривать как возбуждения полей. Это справедливо для фотонов, электронов, нейтрино и т. д. Нужна ли этим полям среда, в которой они распространяются? Насколько мы можем судить, нет. Все, что мы видим и переживаем, есть возбуждения этих полей, одно из которых мы называем частицей. Это фотон для фотонного (электромагнитного) поля, электрон для поля электрона и т. д. Эти поля имеют разные свойства, такие как их масса, и они могут взаимодействовать друг с другом. Если частица не имеет массы (массы покоя, если это не подразумевается), она должна двигаться со скоростью света.

Распространение света — это определенно не волны, распространяющиеся на фоне фотонов, а распространение возбуждений в поле. Для того чтобы поле жило, не требуется никакой среды, если рассматривать поля как фундаментальные величины.

Для некоторых (массивных) полей квантованная природа гораздо более очевидна из нашего повседневного опыта, чем для других. Но квантование является фундаментальным свойством, применимым ко всем из них.

Как согласовать картину волны и частицы? Я бы сказал, что картина частиц — это конструкция нашего разума, основанная на нашем повседневном восприятии мира. Не поймите меня неправильно: квантование — это фундаментальное свойство, и если вы хотите назвать это «частицами», я думаю, это вопрос номенклатуры. Но мы должны думать только в терминах возбуждений квантованных полей. Некоторые возбуждения, например, некоторые состояния Фока, обладают свойствами, более похожими на «частицы», другие, такие как когерентные состояния Глаубера для бозонных полей, более похожи на свойства, подобные «классическим волнам».

Эйнштейн как-то сравнил фотон с известным человеком (извините, я забыл имя), который сменил вероисповедание в юном возрасте и перед смертью вернулся к своему первоначальному исповеданию:

Свет ведет себя как фотон в начальной и конечной точках, а во время своего путешествия ведет себя как волна.

Между прочим, световая волна не движется вверх-вниз, это не "волна" в пространстве, луч света идет прямо, всегда идя по наиболее экономичной траектории.

Световые волны — это именно теоретическое объяснение светового излучения. Распространение волн электромагнитных полей — хорошая теория, работающая для низких частот, но, как показал Эйнштейн (за что и получил Нобелевскую премию), фотоэлектрический эффект можно объяснить только в том случае, если электромагнитное излучение испускается в виде направленных квантов энергии.

Я предполагаю, что воспринимаемый свет как элементарное явление не имеет формы ни геометрической волны, ни геометрической частицы.

Одна вещь о свете, на которую, я думаю, стоит обратить внимание, это то, что если движение выражается как$\displaystyle\gamma^{-1}=\sqrt{1-\frac{v}{c}}$, то движение света становится мультипликативным нулем, что дает алгебраическое «объяснение» состава скоростей:

Предполагать$\displaystyle m_k=\sqrt{1-\frac{v_k}{c}}$, то состав "движений"

$\displaystyle m_1\star m_2=\frac{m_1m_2}{\left(1+\sqrt{(1-m_1^2)(1-m_2^2)}\right)}$

Для света «движение»$m_c=0$и поэтому это предел:$0\star m=0$. :)