В конце этого прекрасного видео ( https://youtu.be/XiHVe8U5PhU?t=10m27s ) она говорит, что электромагнитная волна представляет собой цепную реакцию электрических и магнитных полей, создающих друг друга, поэтому цепочка волн движется вперед.
Интересно, где фотон в этом объяснении. Какая связь между электромагнитной волной и фотоном?
И волновая теория света, и корпускулярная теория света являются приближениями к более глубокой теории, называемой квантовой электродинамикой (сокращенно КЭД). Свет — это не волна и не частица, а возбуждение в квантовом поле.
КЭД — сложная теория, поэтому, хотя можно проводить расчеты непосредственно в КЭД, мы часто находим, что проще использовать приближение. Волновая теория света часто является хорошим приближением, когда мы смотрим на то, как распространяется свет, а корпускулярная теория света часто является хорошим приближением, когда мы рассматриваем, как свет взаимодействует, т. е. обменивается энергией с чем-то другим.
Так что на самом деле невозможно ответить на вопрос, где в этом объяснении находится фотон . В общем, если вы посмотрите на систему, подобную той, что показана на видео, где волновая теория хорошо описывает свет, вы обнаружите, что фотонная теория плохо описывает свет, и наоборот . Два способа смотреть на свет дополняют друг друга.
Например, если вы посмотрите на эксперимент, описанный в ответе Анны (который является одним из основополагающих экспериментов в понимании дифракции!), Волновая теория дает нам хорошее описание того, как свет проходит через щели Юнга и создает интерференционную картину, но это не может описать, как свет взаимодействует с фотоумножителем, используемым для записи изображения. Напротив, фотонная теория дает нам хорошее объяснение того, как свет взаимодействует с фотоумножителем, но не может описать, как он проходит через щели и формирует дифракционную картину.
В этой ссылке существует математическое объяснение того, как ансамбль фотонов частоты и энергия в конечном итоге построить когерентно классическую электромагнитную волну частоты .
Нелегко следовать, если у человека нет математической подготовки. Концептуальное наблюдение за формированием интерференционных полос от отдельных фотонов в эксперименте с двумя щелями может дать вам интуитивное представление о том, что, хотя свет состоит из отдельных элементарных частиц, фотонов, классическая волновая картина возникает, когда ансамбль становится большим.
Рис. 1. Однофотонная камера, записывающая фотоны из двойной щели, освещенной очень слабым лазерным светом. Слева направо: один кадр, наложение 200, 1000 и 500000 кадров.
В 1995 году Уиллис Лэмб опубликовал провокационную статью под названием «Антифотон», Appl. физ. В 60, 77-84 (1995). Поскольку Лэмб был одним из великих пионеров физики 20-го века, его нелегко сбросить со счетов как старого чудака.
Он пишет во вступительном абзаце:
Концепции фотонов, используемые большим процентом лазерного сообщества, не имеют научного обоснования. Прошло около тридцати пяти лет после создания первого лазера. Чем раньше будет произведена соответствующая переформулировка наших образовательных процессов, тем лучше.
Он заканчивает такими комментариями:
При обсуждении квантовой механики можно много говорить о корпускулярно-волновом дуализме. Это может быть необходимо для тех, кто не хочет или не может понять теорию. Однако еще более бессмысленно это понятие вводится при обсуждении проблем квантовой теории или излучения. Здесь появляются волны нормальной моды чисто классической электродинамики, и для каждой нормальной моды существует эквивалентная частица псевдопростого гармонического осциллятора, которая может иметь волновую функцию, аргументом которой является соответствующая амплитуда нормальной моды. Обратите внимание, что частица не является фотоном. Можно было бы скорее думать о множестве двух различных концепций волны и концепции частицы для каждой нормальной моды поля излучения. Однако такие концепции на самом деле бесполезны или неуместны. Принцип дополнительности и понятие корпускулярно-волнового дуализма были введены Н. Бором в 1927 г. Они отражают тот факт, что он в основном имел дело с теоретическими и философскими концепциями, а детальную работу оставлял аспирантам. Весьма вероятно, что Бор сам по себе никогда не производил существенных квантово-механических расчетов после формулировки квантовой механики в 1925-1926 гг. Давно пора отказаться от слова «фотон» и от плохого понятия, которому скоро исполнится столетие. Излучение не состоит из частиц, и классический, т. е. неквантовый, предел КТП описывается уравнениями Максвелла для электромагнитных полей, в которых не участвуют частицы. Говорить о излучении в терминах частиц — все равно, что использовать такие вездесущие фразы, как «Вы знаете» или «Я имею в виду». которые очень часто можно услышать в некоторых культурах. Для друга Чарли Брауна это может служить своего рода одеялом безопасности.
Чтобы понять дуализм волновых частиц, вам нужно просто понять, что такое время:
В 1905 г. ньютоновская уникальная концепция времени была заменена двойной концепцией времени, состоящей из наблюдаемого координатного времени и собственного времени: наблюдаемое время относительно и зависит от наблюдателя и выводится из собственного собственного времени наблюдаемой частицы («Время измеряется часами, следующими за данным объектом»). Собственное время является более фундаментальной концепцией времени.
Вы можете понять дуализм волновых частиц, если рассмотрите простейший случай фотона, то есть фотона, движущегося со скоростью света c. Пространственно-временной интервал таких фотонов (соответствующий их собственному времени) равен нулю. Это означает, что событие испускания и событие поглощения соседствуют в пространстве-времени, излучающая массовая частица передает импульс, называемый фотоном, непосредственно поглощающей массовой частице, без какого-либо пространства-времени между ними. Это означает, что характеристики частиц передаются напрямую без необходимости использования каких-либо промежуточных безмассовых частиц.
Однако для наблюдателей нулевой пространственно-временной интервал не наблюдается, например, между Солнцем и Землей наблюдается восемь световых минут, даже если пространственно-временной интервал пути фотона равен нулю. Несмотря на прямую передачу импульса между двумя массовыми частицами, наблюдатели наблюдают электромагнитную волну, заполняющую промежуток в восемь световых минут.
Таким образом, характеристики частицы передаются непосредственно в соответствии с принципами пространственно-временных интервалов и собственного времени, тогда как волна передается в соответствии с принципами наблюдаемого пространственно-временного многообразия.
Теперь вы спросите: а как быть с фотонами, которые движутся медленнее с (через гравитационные поля и через прозрачные среды)? Ответ заключается в том, что здесь подразумеваются квантовые эффекты, такие как нелокальность. Но важно отметить, что предельный случай фотонов в вакууме, движущихся со скоростью с, можно объяснить и понять классически, без необходимости в какой-либо квантовой теории.
Фотонная дилемма
Планк постулировал, что энергия квантуется. Согласно классической электромагнитной теории свет представляет собой электромагнитное поле. Это поле удовлетворяет волновому уравнению, распространяющемуся со скоростью света. Следовательно, свет представляет собой электромагнитную волну. Свет состоит из фотонов; и, таким образом, каждый фотон несет единицу энергии. Такое поведение демонстрируется фотоэлектрическим эффектом и эффектом Комптона. Поскольку свет представляет собой электромагнитную энергию, фотоны также должны нести электромагнитное поле и его единицу. Хотя фотоны являются квантовыми объектами, свет по-прежнему подчиняется классической теории Максвелла. Фотонная модель критически не согласуется с уравнениями Максвелла, поскольку имеет двойственную природу. На самом деле свет как волна хорошо описан Максвеллом. Напомним, что уравнения Максвелла не включают постоянную Планка, и, таким образом, не может описать корпускулярную природу фотона. Полные уравнения Максвелла должны включать этот недостающий элемент. В квантовой электродинамической парадигме фотон взаимодействует с электронами, используя идею минимальной связи, при которой электроны и фотоны обмениваются импульсом. Фотон выступает посредником между заряженными частицами.
В то же время, если движущаяся заряженная частица имеет собственное электрическое поле и магнитное поле, зависящее от скорости частицы, то фотон, носитель электромагнитной энергии, лишен этих собственных полей, поскольку не имеет заряда и массы. Таким образом, у незаряженного фотона не может быть электрических и магнитных полей, сопровождающих его движение.
Тогда соответствующие уравнения Максвелла должны включать линейный импульс фотона, а также его угловой момент. В таком случае новые уравнения Максвелла могут описать двойственную природу фотона. Как и электрический заряд, угловой момент обычно является сохраняющейся величиной. Вопрос в том, как можно скорректировать эти фотонные свойства? Один из способов добиться этого — использовать кватернионы, которые обычно позволяют объединять многие физические свойства в одном уравнении. Это так, потому что алгебра кватернионов настолько богата, в отличие от обычных действительных чисел. С этой целью мы используем скобку коммутатора положения-импульса и вызываем волновую функцию фотона. Эта волновая функция построена из линейной сложной комбинации электрического и магнитного полей.
Результат скобки дает три уравнения, определяющие электрическое и магнитное поля фотона в терминах его углового момента. Эти уравнения оказываются очень похожими на поля, создаваемые движущимся зарядом. Таким образом, электрические и магнитные поля фотона не требуют для фотона заряда. Интересно, что у фотона нет заряда и массы, но есть электрические и магнитные поля, а также энергия. Эти поля также должны удовлетворять уравнениям Максвелла. Это дает дополнительный электрический и магнитный заряд и плотность тока для фотона. Появившиеся уравнения Максвелла теперь подходят для описания фотона как квантовой частицы. Эти дополнительные члены в уравнениях Максвелла являются источником описания поведения квантовой электродинамики фотона.
Вот квантованные уравнения Максвелла, включающие линейный и угловой момент фотона. Это электрические и магнитные поля, обусловленные фотоном как частицей:
Вы сообщаете, что в видео говорится, что электромагнитная волна представляет собой «цепную реакцию электрических и магнитных полей, создающих друг друга, поэтому цепочка волн движется вперед». Я не согласен с этой точкой зрения. Есть только одна волна, волна векторного потенциала или, в более общем смысле, четырех потенциалов. Электрическое и магнитное поля являются производными от векторного потенциала и не «создают друг друга».
Отвергая это объяснение, мы приходим к более глубокому вопросу: «Какова связь между электромагнитной волной и фотоном?»
Еще несколько лет назад я разделял мнение Уиллиса Лэмба о том, что фотон — это фиктивная частица. В конце концов я изменил свое мнение, потому что такое объяснение не может объяснить эксперименты по дифракции низкой интенсивности. В самом деле, как может отдельный атом или молекула поглотить волну, которая намного больше ее? Обратите внимание, что я не собираюсь обсуждать это здесь, но хочу дать свою интерпретацию. Это то, что векторный потенциал описывает вероятность поглощения фотона, точно так же, как волновые функции Шредингера и Дирака делают для электрона. Действительно, уравнения Максвелла в вакууме можно записать в виде волнового уравнения, очень похожего на уравнение Клейна-Гордона. Эта интерпретация подразумевает, что фотон действительно существует как частица, намного меньшая, чем атом, и, по крайней мере, такая же маленькая, как нуклон.
Что такое фотоны?
Фотоны испускаются каждый раз, когда температура тела выше 0 градусов Кельвина (температура абсолютного нуля). Все окружающие нас тела (кроме черных дыр) в любое время излучают. Они излучают излучение в окружающую среду, а также принимают излучение из окружающей среды. Макс Планк был физиком, который обнаружил, что это излучение должно испускаться небольшими порциями, позже названными квантами, а еще позже — фотонами. Внося некоторые изменения в представление о том, как электроны распределяются вокруг ядра, был сделан вывод, что электроны возмущаются падающими фотонами, таким образом приобретая энергию и возвращая эту энергию испусканием фотонов. И фотоны испускаются не только электронами. Ядро, если его сильно потревожить, тоже излучает фотоны. Такие излучения называются рентгеновскими лучами и гамма-лучами.
Что такое электромагнитное излучение?
ЭМ-излучение представляет собой сумму всех испускаемых фотонов от задействованных электронов, протонов и нейтронов тела. Все тела излучают инфракрасное излучение; начиная с ок. 500°C они излучают видимый свет, сначала светясь красным цветом, а затем сияя все ярче и ярче. Есть несколько способов стимуляции эмиссии ЭМ излучения. Выяснилось, что помимо переизлучения фотонов существует и вторая возможность генерации ЭМ излучения. Каждый раз, когда электрон ускоряется, он испускает фотоны. Это объяснение помогает понять, что происходит в нити накала электрической лампочки. Электроны на нити не движутся прямо вперед, они сталкиваются друг с другом и бегут зигзагами. При этом ускорении они теряют энергию, и эта энергия излучается в виде фотонов. Большинство этих фотонов - инфракрасные фотоны, и некоторые из этих фотонов находятся в диапазоне видимого света. В люминесцентной лампе электроны ускоряются с более высокой энергией и испускают ультрафиолетовые фотоны (которые преобразуются в видимый свет флуоресцентным покрытием стекла). Электроны с более высокой энергией (с большей скоростью) достигают ядра, и ядро испускает рентгеновские лучи. Пока вводимая энергия является непрерывным потоком, никто не может измерить колебание ЭМ излучения.
Что такое электромагнитные волны?
С помощью генератора волн можно создать колебательное ЭМ излучение. Такие излучения называются радиоволнами. Выяснилось, что модифицированный LC-контур в комплекте с генератором волн способен излучать и можно отфильтровывать такое модулированное излучение (определенной частоты) от окружающего шумящего ЭМ излучения.
Таким образом, генератор волн выполняет двойную функцию. Генератор должен ускорять вперед и назад электроны внутри стержня антенны и тем самым излучать фотоны радиоволны, а генератор позволяет модулировать это ЭМ излучение несущей частотой. Следует подчеркнуть, что частота испускаемых фотонов находится в ИК-диапазоне, а иногда и в рентгеновском диапазоне. Существует оптимальное соотношение между длиной стержня антенны и частотой генератора волн. Но, конечно, можно изменить длину стержня или изменить частоту генератора. Это изменяет эффективность излучения только до необходимого подвода энергии. Делать выводы от длины стержня антенны к длине волны испускаемых фотонов бессмысленно.
Какова волновая характеристика фотона?
Поскольку электроны в стержне антенны ускоряются более или менее одновременно, они испускают фотоны одновременно. ЭМ-излучение антенны поддается измерению, и было обнаружено, что ближнее поле антенны имеет две составляющие: составляющую электрического поля и составляющую магнитного поля. Эти два компонента преобразуются друг в друга, индуцируют друг друга. В какой-то момент передаваемая энергия находится в компоненте электрического поля, в противном случае энергия находится в компоненте магнитного поля. Так почему бы не сделать вывод из общей картины о природе задействованных фотонов? Это составляющие, из которых состоит радиоволна.
Причина, по которой теория Максвелла не может описать фотон, заключается в том, что явление излучения — это явление взаимной энергии.
Это не феномен собственной энергии. традиционные решения электромагнитных полей допускают здесь ошибки. Явления взаимной энергии включают, теорему о взаимной энергии, теорему о взаимном потоке энергии, принцип взаимной энергии. Все это относится к взаимной индуктивности. Явления собственной энергии включают поток собственной энергии (поток энергии вектора Пойнтинга), принцип собственной энергии (поток собственной энергии не несет энергию). Все это относится к самоиндукции.
Как описать явления взаимного излучения энергии? Формула уравнения Максвелла 4 должна быть дополнена еще одной формулой, которая является законом сохранения энергии. Предположим, что есть текущие источники: , . Соответствующие поля , Один ток предложат другой ток какая-то сила,
Выше указан ток питания потерял. Эту мощность получает ток .
Учитывать все текущие источники, есть,
Эта формула не требует пояснений (введена Шуанжэнь Чжао). Это должно добавить к уравнениям Максвелла.
Принцип взаимной энергии Другая формула, которую также следует добавить к уравнению Максвелла, представляет собой принцип взаимной энергии (введенный Шуан-жэнь Чжао).
Принцип взаимной энергии можно вывести из уравнений Максвелла, добавив некоторые условия. Условия: уравнение Максвелла должно быть установлено парами. В каждой паре есть решение для передающей антенны и приемной антенны. Или пара для излучателя и поглотителя. Это означает, что приемная антенна и поглотитель также излучают волны. Это также означает, что излучение является явлением взаимной энергии, что приемная антенна и поглотитель также должны присоединиться к теории излучения.
есть множество решения запаздывающей волны. есть множество решения опережающей волны. — множество решений уравнений Максвелла. есть множество решения взаимного энергетического принципа. есть решения физики. возможно решение физики, но также возможно и неправильное решение.
Мы также можем построить теорию электромагнитного поля, добавив приведенную выше формулу принципа взаимной энергии, тогда приведенные выше описания могут быть получены из принципа взаимной энергии.
Предположим, что и закон сохранения энергии, и принцип взаимной энергии приняты нами как две новые аксиомы. Из этих двух законов мы можем доказать, что
Мы можем предположить, что ток посылает запаздывающую волну как передающую антенну или излучатель. Течение посылает опережающую волну в качестве приемной антенны или поглотителя. Следовательно, передающая антенна и излучатель должны излучать запаздывающую волну. Приемная антенна и поглотитель должны излучать опережающие волны.
относительно опережающей волны Уилер и Фейнман разработали теорию поглотителя. У Джона Крамера есть транзакционная интерпретация квантовой механики.
Теорема о взаимном потоке энергии, фотон - это взаимный поток энергии
Из принципа взаимной энергии можно вывести теорему о взаимном потоке энергии. Предполагать , теорема о взаимном потоке энергии:
Согласно этой теории, поток собственной энергии или собственное излучение энергии не переносят энергию в пространстве. Поток собственной энергии представляет собой нормальное волновое решение уравнений Максвелла (уравнение Максвелла только для одного источника тока). Эта волна гасится волнами обращения времени. Есть два типа волн обращения времени, соответствующие запаздывающей волне и опережающей волне. Ниже представлена фигура фотона. Излучатель посылает запаздывающую волну, поглотитель — опережающую. Запаздывающая волна и опережающая волна либо являются реактивной волной, либо схлопываются обратно. Взаимный поток энергии переносит энергию фотонов от излучателя к поглотителю.
Коллапс волны В квантовой механике волны коллапсируют, это можно показать как
В теории взаимной энергии коллапс волны на самом деле осуществляется за счет процесса обратного коллапса волны и процесса взаимного потока энергии:
Резюме : (1) фотон — это не волна, а взаимный поток энергии. Взаимный поток энергии строится запаздывающей волной от излучателя и опережающей волной от поглотителя. (2) есть 4 волны, запаздывающая волна, опережающая волна и две волны обращения времени. Все 4 волны компенсируют друг друга. Однако взаимный поток энергии сохраняется. (3) Коллапс волны можно описать двумя явлениями: Энергия передается через взаимную энергию. Запаздывающая волна и опережающая волна компенсируются волнами обращения времени. Если эта теория интересна, детали можно найти в Google по ключевому слову « mutual energy principle'' or
взаимный поток энергии», «принцип собственной энергии».
Селена Рутли
Селена Рутли
Куильо