Если фотоны движутся линейно, что на самом деле мешает им пройти через сетку микроволновой печи?

Классические электромагнитные волны могут иметь множество форм. Простейшими примерами являются «монохроматические» волны с четко определенной частотой.$f$– количество периодов в секунду. Длина волны – расстояние между двумя максимумами волны – равна$\lambda=c/f$.

Когда вы что-то меняете в электромагнитном поле в какой-то точке, то есть когда вы пытаетесь модифицировать электромагнитную волну, вы не можете мгновенно изменить что-либо в отдаленном месте. Информация и влияние никогда не могут распространяться быстрее, чем$c$, скорость света в вакууме. Это совершенно общий факт о Природе, вытекающий из специальной теории относительности и применимый и к квантовой теории. Если начать с волны огромной длины волны$L$и быстро изменить что-то о волне в небольшой области и в масштабе времени, намного меньшем, чем период электромагнитной волны, в надежде, что это позволит вам «мгновенно» воздействовать на удаленные точки пространства, вы потерпите неудачу. Вместо того, чтобы заставлять длинную электромагнитную волну работать над вашим проектом, вы создадите несколько электромагнитных волн гораздо более высокой частоты и более короткой длины волны. Слишком длинные электромагнитные волны просто не позволяют делать вещи «действительно быстро» — в разы короче, чем$T$, их период — и слишком локально — в областях намного короче длины волны. Всякий раз, когда разрешение времени или пространства намного лучше, это просто доказывает, что присутствуют некоторые электромагнитные волны гораздо более высокой частоты и более короткой длины волны.

Для описания волн в микроволновой печи достаточно обратиться к классической физике, т.е. отказаться от понятия фотонов. Микроволны — электромагнитные волны, длина волны которых чуть короче размера духовки — имеют ничтожный шанс пройти через отверстия, потому что эти отверстия намного меньше длины волны. Механизм иногда называют электромагнитным экранированием . Как это работает?

Ну, если вы хотите обсудить волны длины волны$\lambda$только их зависимость от пространства всегда должна иметь вид$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$: волны с правильным расстоянием между минимумами. Тем не менее, металлическая клетка, окружающая внутреннюю часть печи, накладывает потенциал$\phi=0$в очень густой сети точек. Когда вы пытаетесь записать потенциал как$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$, при этом убедившись, что он равен нулю во всех точках, где есть проводник, вы обнаружите, что решения нет, кроме$A=0$. Волна данной длины просто не может пройти вообще. В качестве альтернативы вы можете рассчитать отражение от металлических точек сетки (не считая отверстий). Они мешали бы друг другу и гарантировали, что вероятность отражения составляет почти 100 процентов.

Другими словами, микроволновый фотон «действительно большой», по крайней мере, такой же большой, как длина волны, и он просто «не вписывается». Он мог бы вписаться, если бы «притворился», что это фотон с более короткой длиной волны, но это был бы другой фотон. Микроволновая печь прописывает частоту$f$и соответствующая длина волны всегда$c/f$и не может измениться. Вы также можете посмотреть на ситуацию с «плохим разрешением», чтобы «пренебречь» расстояниями короче длины волны. С этой точки зрения металлический кожух духовки выглядит солидно, несмотря на небольшие отверстия. В конечном счете, именно поэтому он выглядит твердым для электромагнитных волн.

Все эти вещи можно также сформулировать в терминах фотонов — что необходимо в квантовой теории — хотя, как я уже сказал, это не обязательно для микроволн, поскольку они содержат огромное количество когерентных фотонов, так что эта большая группа фотонов ведет себя классически. .

Отдельные фотоны описываются волновыми функциями, которые математически выглядят как электромагнитная волна. Он может быть монохроматическим, но может быть и смесью разных частот. Волновые функции отдельных фотонов распространяются через духовку или что-то еще почти так же, как классические электромагнитные волны. Вот почему фотоны микроволновых частот также не могут вырваться из микроволновки. Но интерпретация другая: волновую функцию нельзя измерить напрямую, как электрические поля. Вместо этого он кодирует (после возведения в квадрат) плотность вероятности того, что фотон находится здесь или там.

Если вы попытаетесь поймать фотон, чья волновая функция распространяется на большую область, у вас есть определенный расчетный шанс, что вы поймаете его «где-то здесь», в конкретной близлежащей области.$V$. Но когда вы делаете это, вероятность того, что фотон одновременно находится в каком-то другом, удаленном месте, равна нулю.$P$. Так что, что бы вы ни делали с фотоном здесь — если вам вообще повезет и фотон здесь «появится», — это не повлияет на то, что происходит очень далеко от вас. Фактически, если вы видите здесь фотон, «волновая функция коллапсирует», и вы уверены, что фотон не находится «там», поэтому он ничего не может там сделать. Фотон никогда не был там; у него был только шанс быть там, но ваши измерения показали, что шанс не материализовался. Эти моменты часто неправильно понимают, потому что люди пытаются представить, что волновая функция фотона — это реальная волна, которая должна оставлять какие-то следы, даже если фотон в конечном итоге виден где-то еще. Но не может и не оставляет никаких следов: ненулевая волновая функция лишь квантифицирует «потенциал» того, что где-то что-то можно увидеть.

В любом случае, вы увидите, что фотоны также нельзя использовать для отправки сверхсветовых сигналов.

Это сложная тема, а это значит, что вы должны постоянно думать об этом. Короткий ответ - НЕТ, "фотоны" не равны по размеру. Размер электромагнитной волны (состоящей из множества фотонов) примерно равен размеру излучающего ее устройства. Таким образом, волны, излучаемые атомами, имеют примерно атомный размер, волны, излучаемые радиостанциями, имеют размер передатчика радиостанции, а микроволны в микроволновой печи имеют размер электронной части, которая их излучает. Основная ваша путаница связана с вопросом - Как понять волну, состоящую из фотонов частиц? Посмотрите на это как на обычную волну - когда волна проходит через волнорез, часть волны проходит, но оставшаяся часть погибает, что эффективно останавливает всю волну.

ТАК. Чтобы понять, как волна создается из «фотонов», нам нужно хорошо понять идею ИНТЕРФЕРЕНЦИИ.

PS: Фотоны не являются физически четко определенными объектами, никто не может измерить один фотон или поймать его. Это очень полезная КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ идея, которая помогает нам понять, как работают атомная физика и лазеры. Ньютон, как и вы, тоже думал, что свет состоит из фотонов. Но у него были проблемы с оптикой, как и у вас.

В микроволновых печах сетка переднего окна выполнена из металла (проводника). Волны не могут проходить через отверстия, если диаметр отверстий существенно меньше длины волны. Микроволны, используемые в печах, имеют длину волны около 12,6 см, а отверстия в металлической сетке имеют диаметр около 0,2 см. Упрощенное объяснение состоит в том, что электромагнитные волны представляют собой колебания в электромагнитном поле, и электронный газ, в проводнике которого состоит сетка, реагирует на эти колебания, колеблясь соответственно; колебания электронов в металлической сетке вызывают изменения в электромагнитном поле, которые компенсируют исходные микроволны. Затухание электромагнитных волн работает таким образом, что оно обратно пропорционально четвертой степени$\frac{wavelength}{hole}$соотношение: в этом примере$\frac{1}{(12.6/0.2)^{4}}$"="$\frac{1}{15752961}$это означает, что интенсивность излучения микроволн после прохождения через металлическую сетку примерно в 15700000 меньше, чем до прохождения через металлическую сетку.