Возникает ли квантовая природа света в результате его взаимодействия с материей? [закрыто]

Если мы хотим получить правильную трактовку электромагнитного поля, нам придется включить корректную трактовку таких эффектов, как лэмбовский сдвиг, гиромагнитное отношение электрона и тому подобное. Из вашего вопроса я предполагаю, что вы не очень хорошо знакомы с ними. Это эффекты, которые очень точно трактуются квантовой теорией поля, называемой квантовой электродинамикой, в которой свет является не волной и не частицей, а квантовым полем.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, верно, что многие из физических эффектов, которые обычно упоминаются в контексте фотонов, касаются того, как свет взаимодействует с материей, и если материя имеет дискретные энергетические уровни, тогда вы можете почувствовать, что дискретность заключается только в там. Но вы также должны учитывать, например, эффект Комптона, когда свет рассеивается электронами в свободном пространстве. Здесь нет дискретности в состояниях электрона, но объяснить результаты в терминах волн рассеяния трудно, тогда как результаты легко объясняются на модели частиц. Полностью точной моделью является модель квантовой теории поля, как я уже сказал, в которой свет не является ни частицей, ни волной. А чтобы понять сдвиг Лэмба, эффект Казимира, электрослабую теорию,

В самом деле, один из способов «визуализировать невизуальное» состоит в том, чтобы думать о свете в полете как о фотонах, которые, будучи призваны взаимодействовать с заряженной материей, начинают проявлять волнообразные характеристики при определенных условиях (дифракция на двух щелях, например). и все же сохраняют свои фотоноподобные характеристики в другом наборе обстоятельств (фотоэлектрические эффекты).

И, как указала Анна В., более внимательное изучение только двухщелевого однофотонного эксперимента по дифракции показывает, что один и тот же объект (фотон/волна) ведет себя как фотон в один момент времени и как волна в другой момент времени. время (см. ссылку на нее ниже).

Я не знаю, можно ли полностью согласовать эту картину непознаваемого с максвелловской электродинамикой, но это единственный способ, с помощью которого я могу осознать корпускулярно-волновой дуализм.

Удалось бы нам обнаружить фотонную природу света, если бы мы генерировали свет без материи и регистрировали свет без материи, то есть без какого-либо взаимодействия с материей?

$c$скорость, с которой «где-то и в будущем» превращается в «здесь и сейчас», а затем в «где-то и в прошлом». Исходящий свет (и другие невесомые вещи) безвозвратно уходят из «здесь и сейчас» куда-то в будущее, тогда как входящий свет приходит сюда исключительно откуда-то из прошлого.

Если мы не используем массив (то есть:$v<c$) детектор в какой-то момент процесса, взаимодействие нашего детектора и нашего фотона всегда происходит где-то еще и в будущем нашего наблюдателя. Это никогда не наблюдается.

Точно так же, если мы не используем массивный источник в какой-то момент процесса, наш источник всегда находится где-то еще и в нашем прошлом, поэтому наш эксперимент должен начинаться бесконечно далеко и бесконечно давно.

Мы можем засунуть вопрос за какие-то слои абстракции, такие как «напряжение» и «магнитный момент», и сделать вид, что он состоит не из огромного количества массивных частиц, взаимодействующих друг с другом и с пространством вокруг них, но это логическая ошибка.

Мы можем генерировать микроволны с помощью магнетрона и моделировать систему с высокой предсказательной эффективностью, предполагая, что магнетрон — это единственный магнитный диполь, а не бесчисленное множество атомов, каждый из которых обладает магнитным моментом, — но мы знаем, что последнее лучше описывает реальность.

Мы можем измерить интерференционную картину и представить, что то, что мы измерили, является волной, а не воздействием волны на датчик, с большой описательной эффективностью. Но мы знаем, что на самом деле произошло последнее.

В начале 20-го века в физике произошло две революции. Первая во главе с Эйнштейном и другими произвела революцию в нашем понимании пространства и времени. Вторая, квантовая революция, изменила наше понимание того, как устроены вещи, — это онтология. До этой революции под вещами в первую очередь понимались либо частицы в пространстве, либо волны в среде. Позже они стали пониматься в терминах квантовых полей, супервентных в пространстве-времени, возбуждения которых были квантами.

Возникает ли квантовая природа света в результате его взаимодействия с материей?

Поскольку свет может существовать в вакууме (подумайте о свете, идущем от Солнца), трудно понять, как возникает квантовая природа света из-за его взаимодействия с материей.

Постановка вопроса неверна, так как между максвелловской теорией и квантованием света нет противоречия.

Квантованное электромагнитное поле согласуется с уравнениями Максвелла.
Квантование электромагнитного поля налагает некоммутативность между различными частями поля. Математически это достигается преобразованием амплитуд поля, когда поле разлагается по собственным модам. Эти собственные моды являются решениями уравнений Максвелла. Другими словами, квантованное ЭМ поле автоматически удовлетворяет уравнениям Максвелла.

Когерентные состояния
Другая связь обеспечивается теоремой Эренфеста , которая для квантованных электромагнитных полей принимает форму уравнений Максвелла. В частности, квантованное ЭМ поле близко к волновым свойствам классического ЭМ поля, когда оно находится в когерентном состоянии .

Корпускулярно-волновой дуализм
Наконец, неверно думать о фотоне как о точечной частице, подобной электрону, - скорее, это квант возбуждения ЭМ поля. Квантование не превращает фотоны в частицы или электроны в волны — скорее, это означает, что и те, и другие обладают волновыми и корпускулярными свойствами — это то, что мы называем корпускулярно-волновым дуализмом ( см. здесь и здесь )