Что происходит, когда фотон попадает в зеркало?

Если вы думаете об этом с точки зрения квантовой теории поля, которая действительно необходима, чтобы придать смысл фотону, то все, что вы можете сказать, это то, что фотон может пройти любой из всех возможных путей от того места, где он испускается, до места, где он находится. поглощается. Эти пути будут содержать пути, где фотон моментально распадается на пару электрон-позитрон, где взаимодействия с электронами в зеркале включают всевозможные виртуальные частицы, где фотон движется в направлениях, далеких от классической траектории, и т. д. Полная амплитуда дается суммой всех этих возможностей, и все они могут произойти. В классическом пределе в этой сумме по всем путям доминируют вклады, наиболее близкие к классическому прямолинейному пути фотона со скоростью$c$, так что классически мы видим, как свет движется по прямой линии со скоростью$c$, и подчиняются законам оптики. Однако, если бы вы действительно захотели проследить путь отдельного фотона, вы бы увидели, что он может делать множество впечатляющих вещей (и, к сожалению, наши попытки наблюдать за фотоном помешали бы его пути). Если вы хотите лучше понять это, я очень рекомендую описание всего этого Фейнманом в его лекциях здесь или в его книге, взятой из лекций: «КЭД, странная теория света и материи».

Как работают зеркала? тесно связан с вашим вопросом, если не точным дубликатом.

Обычно мы думаем о рассеянии фотонов как о поглощении исходного фотона и испускании нового с другим импульсом, поэтому в вашем примере с зеркалом входящий фотон взаимодействует со свободными электронами в металле и поглощается. Затем колебания свободных электронов испускают новый фотон, направляющийся из зеркала. В отличие, например, от электронов, количество фотонов не сохраняется, и фотоны могут создаваться и уничтожаться всякий раз, когда они взаимодействуют.

Пересмотрен после нескольких отрицательных голосов.

Фотон — это элементарная частица в стандартной модели физики элементарных частиц. Это означает, что это квантово-механическая «частица», описываемая волновыми функциями, которые дают для любого взаимодействия вероятность взаимодействия конкретного фотона. В случае зеркала лучевая оптика описывает наиболее вероятный путь фотона до и после взаимодействия.

Как частица, сталкиваясь с веществом в твердом состоянии, она может упруго рассеиваться в коллективном электрическом поле среды, в которую она попадает. Чтобы иметь зеркало, все фотоны должны упруго рассеиваться на твердотельной решетке, которая является зеркалом.

Упруго означает, что фотон, покидающий взаимодействие, меняет направление только в центре масс. Центр масс фотона и зеркала фактически является лабораторной рамкой, поскольку зеркало имеет массу порядка ~ 10 ^ 23 молекул. Таким образом, упруго рассеянный фотон не теряет энергию, и цвета изображений, которые он помогает создавать, не меняются. Здесь описано, как классические состояния возникают из лежащего в их основе состояния квантовой теории поля .

Фотон будет поглощен, если его энергия, определяемая выражением$E=h\nu$, подходит к какому-то энергетическому уровню атомов, (молекул, системы) и тогда переизлученный фотон может изменить и направление, и энергию по отношению к исходному, т.е. если отраженный изменит частоту из-за переизлучения, и теряет фазу, она не может способствовать достоверному изображению. Фотон, конечно, движется со скоростью$c$(как и все фотоны) в любом направлении ( упругое рассеяние означает только изменение направления, а не энергии).

Диаграммы, описывающие рассеяние фотонов, в первом порядке аналогичны приведенным ниже:

где электроны виртуальные, взаимодействующие с зеркальной решеткой, а исходящие фотоны имеют одинаковую частоту/энергию.

В элементарных частицах «то же самое» может иметь значение только при определенных переменных в конкретных взаимодействиях. При упругом рассеянии фотон, вступающий во взаимодействие, и фотон, покидающий его, имеют одинаковую частоту (энергию), и каждый фотон имеет вероятность быть рассеянным под углом. Классическая волна, построенная миллионами фотонов в суперпозиции их волновых функций, должна сохранять фазы, чтобы макроскопические изображения могли сохранять свой цвет и размерность, т. е. быть «зеркальными».

При рассмотрении вопроса «отражается ли тот же самый фотон света или он поглощается, а затем излучается фотон с такими же свойствами», важно помнить, что фотоны — это неразличимые бозоны. Вопрос предполагает, что такие фотоны можно было бы различить, когда это не так. В конце концов, это просто «фотон» с импульсом X.

Однако в отношении процесса отражения необходимо провести существенное различие: здесь не происходит процесса поглощения и повторного излучения, как указывает Анна В., это будет означать совсем другое поведение. Фотоны и их эволюция во времени (до, спорно, их измерения) должным образом описываются как волна, а не как частица, которая «отскакивает».

Моя классическая картина такова: когда падающее электрическое поле попадает на металлическую (обычно серебряную) поверхность зеркала, электроны, ощущая электрическое поле, колеблются. Поскольку электрическое поле колеблется очень быстро, электроны имеют тенденцию колебаться в противофазе с полем, как пружина, которая раскачивается слишком быстро. Несовпадающие по фазе колебания электронов создают новую волну, которая деконструктивно интерферирует с падающей волной и компенсирует амплитуду поля, входящего в металл, но создает новое поле, идущее от металла. Учитывая, что большой луч падает на большую площадь зеркала и, следовательно, на множество электронов, все электроны колеблются вместе и производят больше коллективных интерференционных эффектов, но картина остается той же. Должно быть возможно отследить это точно до уровня квантовой теории поля,

Я думаю, что, вероятно, может ввести в заблуждение думать о материи как о «знании», каким образом испускать отраженный фотон. Чтобы полностью описать этот процесс, представляется необходимым объединить механизм взаимодействия света с веществом, который допускает возможность поглощения и излучения электронами внутри решетки материала, с формулировкой интеграла по путям Фейнмана, как уже упоминалось в чтобы суммировать амплитуды для события. Наблюдаемый факт равных углов падения и отражения объясняется тем, что это трасса с наибольшей когерентностью фаз. Отражение в разных точках зеркала будет иметь тенденцию быстро сокращаться по мере удаления от точки с равными углами. (этот наблюдаемый путь также является кратчайшим путем Ферма).

Ответ здесь правильно дали Джон Ренни и Анна В. Но некоторые моменты не были освещены, и я постараюсь объяснить это в более будничной понятной форме. Таким образом, отдельные фотоны поглощаются, а «новый» фотон излучается повторно с теми же свойствами, за исключением направления (которое в обычном зеркале противоположно или может быть немного изогнутым в зависимости от типа зеркала). зеркало). Итак, ответ на ваш вопрос:

1. отдельный фотон поглощается электроном
2. переизлучается «новый» фотон с теми же свойствами (кроме направления)
3. скорость по определению в КМ поглощаемого фотона изменяется от c до несуществующего мгновенно. Потому что его волновая функция мгновенно разрушается. А потому, что фотон мгновенно перестает существовать (в фотонной форме, точнее мгновенно превращается в избыточную энергию электрона). Четырехвектор по определению делает безмассовый фотон, движущийся со скоростью c, способным «видеть» всю временную шкалу «в одном» (время для фотона замирает), но он также делает путешествующий фотон неспособным взаимодействовать с материалом/энергией обычным явлением. образом (как и мы, более «стационарные» в пространстве и обладающие массой покоя). Чтобы фотон взаимодействовал «обычным» образом в пространстве с материалом/энергией, ему нужно либо замедлиться (за счет набора массы покоя), либо передать себя в другой материал». s энергия (поглощается электроном). Поскольку он не может набрать массу покоя, единственный способ - передать себя энергии электрона / поглотиться. Таким образом, в момент поглощения волновая функция коллапсирует, фотон, наконец, находит единственный способ взаимодействия с веществом (электроном). Фотон материализуется как энергия в электрон. Тогда его скорость не равна 0, а просто больше не существует, потому что фотон (поскольку фотон больше не существует) и волновая функция разрушились и больше не описывают его распределение вероятностей (потому что описывать больше нечего). Фотон материализуется как энергия в электрон. Тогда его скорость не равна 0, а просто больше не существует, потому что фотон (поскольку фотон больше не существует) и волновая функция разрушились и больше не описывают его распределение вероятностей (потому что описывать больше нечего). Фотон материализуется как энергия в электрон. Тогда его скорость не равна 0, а просто больше не существует, потому что фотон (поскольку фотон больше не существует) и волновая функция разрушились и больше не описывают его распределение вероятностей (потому что описывать больше нечего).

4. И затем, прежде чем произойдет переизлучение, произойдет что-то очень важное, чего не касались приведенные выше ответы на странице, и это ключ к вашему вопросу о том, почему сама ЭМ волна замедляется в материале, но отдельные фотоны все еще движутся со скоростью скорость в. И то, что происходит, — это возбужденное состояние электрона/атома. Посмотрите, как поглощенный фотон передал свою энергию электрону, поэтому электрон (и атом) находятся в возбужденном состоянии. Чтобы произвести переизлучение, электрон должен вернуться в основное состояние (или в предыдущее состояние). Но что не было рассмотрено, так это то, как долго электрон/атом находится в возбужденном состоянии? Обратите внимание, что само поглощение/переизлучение происходит мгновенно в КМ. Но само возбужденное состояние бывает не всегда. Имеет средний срок службы. Если вы проведете достаточно экспериментов,

5. Так почему же эти 10^-8 секунд так важны? Потому что конкретный фотон (поглощенный/переизлученный) за это время не движется. В среднем это замедлит этот фотон, ТОЛЬКО если мы будем считать поглощенный/переизлученный фотон одним и тем же. Но мы так не говорим. Мы говорим, что фотоны замедляются стадом (это называется электромагнитной волной). Потому что поглощенный/переизлученный фотон по-прежнему не считается движущимся через возбужденное состояние. Он находится в виде энергии в электроне в среднем 10^-8сек. И мы не учитываем это время в расчете скорость = расстояние/время. Почему? Потому что, по-видимому, по соображениям расчета, либо #1, что повторно испущенный фотон все еще не является той же идентичностью, что и поглощенный ранее, либо #2, которого мы не знаем. Нельзя рассматривать фотон, существующий как фотон (только из соображений расчета скорости) во всем возбужденном состоянии, пока он находится в форме избыточной энергии электрона. Мы обычно говорим, что это один и тот же фотон. Итак, мы должны сказать № 2. Но экспериментальная причина в том, что измеренная скорость электромагнитной волны в стекле, например, просто меньше. И теперь вы видите, в чем причина этого, среднего времени жизни возбужденного состояния.

6. После (во время) возбужденного состояния испускается «новый переизлученный» фотон с теми же свойствами, за исключением направления. Его волновая функция описывает его движение, а его скорость равна c. У него нет массы. Испускание происходит мгновенно, поэтому скорость нового фотона равна c.

7. Но почему это скорость c мгновенно. Потому что он и все безмассовое создается/существует со скоростью c в пространстве. Основное заблуждение у вас такое

   - Вы думаете, что вещи существуют/создаются с нулевой пространственной скоростью, а затем их нужно ускорить. Это неправда. Вселенная и четырехвектор устроены так, что все безмассовое создается/существует со скоростью c. Вы должны замедлить его. Как? набирая массу или передавая свою энергию другому материалу с массой покоя, поглощаясь.

   - вы пытаетесь представить частицу (фотон или что-то еще) с педалью газа. У него нет педали газа. И ничего больше, у всех нас есть только педаль тормоза. Все безмассовое движется (создается, существует) со скоростью c из-за четырехвектора и того, что Вселенная устроена таким образом. Вы должны ЗАМЕДИТЬСЯ, если хотите, и делать это значит набирать массу. Вы ощущаете время так, как вы, потому что у вас есть масса и потому что у вас есть способность взаимодействовать с обычными вещами (материал/энергия) в пространстве, как и вы.

   - нет единого мнения о том, из чего состоит материал с массой покоя. Некоторые говорят, что у всего есть масса покоя, потому что безмассовые глюоны в нем колеблются в некоем ограниченном пространстве. если это так, то все, как оно создано, движется со скоростью c, и только сумма этого в большем масштабе замедляется в пространстве, приобретая массу покоя (осциллирующие глюоны, поля Хиггса и т. д.).

8. Мы не знаем, является ли переизлучающий электрон тем же самым электроном, что и поглощающий. Это должно быть потому, что он находится в возбужденном состоянии. который должен вернуться в основное состояние.

9. Мы не знаем, как электрон «узнает», что ему нужно испустить «новый переизлученный» фотон в прямо противоположном направлении (для зеркала) или почти в том же направлении (для стекла), что он и делает. Стекло делает то же самое, поглощает, переизлучает, только направление переизлучения почти такое же, как и поглощение (вот почему свет проходит через стекло, не слишком сильно изменяя волны, просто немного замедляет их из-за поглощение-переизлучение и среднее время жизни возбужденного состояния). Посмотрите, как в стекле отдельный фотон поглощается-переизлучается миллиарды раз, проходя через стекло, в зависимости от толщины стекла, измеряемой в атомах. Каждый раз, когда он поглощается-переизлучается, ему требуется время в среднем 10 ^ -8 секунд (это зависит от типа атома, это точное время для атома H). Таким образом, если толщина составляет миллиард атомов, он поглощается-переизлучается при такой величине, и замедление будет 10 ^ 8 * 10 ^ -8 = 1 сек. Это пример, но он показывает, что это время уже заметно замедляет электромагнитную волну. Чем плотнее материал/среда, чем больше излучение/поглощение, тем больше она замедляется.

Вдобавок к этому, на уровне отдельного электрона/фотона мы не знаем, откуда он знает, в какую сторону ему двигаться, но на уровне ЭМ-волны излучаемая ЭМ-волна имеет некоторый фазовый сдвиг (π/2π/2) относительно фазового сдвига входящей волны, что заставляет ее отставать. В КМ электромагнитные волны излучаются повсюду (не только вдоль направления входящей волны). Просто другие пути, по которым идет свет, разрушительно мешают друг другу и компенсируют друг друга. Прямое излучение идет вместе с волной, а то, что отражается назад, — это то, что вы видите как 4% отраженного света (от стекла). В зеркале ЭМ волна смещается в фазу ππ, что вызывает деструктивную интерференцию прямого излучения, и, следовательно, свет не проходит через металлы. Теперь обратное излучение проходит через стекло, получает несколько парных волн и все.

Таким образом, на уровне отдельного электрона/фотона мы не знаем, как он узнает, в каком направлении переизлучать «новый» фотон, но на уровне всего стада, электромагнитной волны, это объяснение изменения направления, которое это не изменение, это больше того, что осталось после того, как электромагнитные волны во всех направлениях нейтрализуются, кроме конечного направления, которое вы видите.

Хорошо, теперь я объяснил, почему электромагнитные волны замедляются в плотном материале/среде. И что скорость отдельных фотонов всегда равна c (измеряется локально). Но я не объяснил, замедляет ли это электромагнитную волну в случае зеркала. Оно делает. Двусторонняя скорость электромагнитных волн в среднем медленнее, чем односторонняя скорость. Но разница, если на самом деле, не так уж и измерима, и для этого потребовался бы многократный повтор эксперимента. Потому что СРЕДНЕЕ время жизни возбужденного состояния составляет 10^-8 секунд. Фактическое время может быть даже равно 0. Но если вы проведете достаточное количество размышлений/тестов на двухстороннюю скорость, оно покажет среднее значение. Почему это важно? Потому что, если вы возьмете задержку Шапиро, она покажет вам, что в тесте зеркала/отражения от Венеры электромагнитные волны (радарные сигналы) будут иметь замедление 2*10^-4 из-за эффектов ОТО. Он находится примерно в 20 минутах пути. Но посмотри на возбужденное состояние' средний срок службы будет только в СРЕДНЕМ влиять на это 10 ^ -8 секунд. Таким образом, этот эффект не столь важен, поскольку он настолько мал и не так сильно меняет результаты. Это важно только при прохождении через толстый материал, когда есть много поглощений/повторных излучений.

Зеркало должно быть достаточно прохладным, чтобы его можно было поместить в коробку для зеркала. Возможно, вы думаете, что это не отвечает на ваш вопрос, но в некотором смысле это так. Подумайте об энергии, затраченной на то, чтобы эти зеркала оставались холодными, они будут поглощать меньше энергии. Но если коробка нагреется, энергия будет стремиться уйти и поглотиться зеркалом.

Мы также должны включить эффекты движущихся зеркал. Когда фотоны отражаются от движущегося зеркала, они могут терять или даже приобретать энергию (!), в зависимости от движения зеркала.

Как и в нашем исходном случае, когда зеркало не движется, энергия в целом останется прежней, но количество отраженных фотонов обычно будет меньше, чем количество падающих фотонов, поэтому полная энергия отраженного света будет немного меньше. ниже.

Вопрос превосходный и является вариацией вопроса «Что такое фотон?», который является вариацией вопроса «Что такое квант?».

Шаг к ответу состоит в том, чтобы рассмотреть следствия « теоремы о том, что нельзя спрятаться ». Одним из следствий этого является то, что если фотон поглощается, пакет неопределенности , который он представляет, просто принимает другую форму; оно не исчезает. Вполне разумно считать, что «квант» — это «пакет неопределенности», и что он может передаваться от одной частицы к другой или от одной частицы к совокупности частиц.

Ответ, который я даю ниже, основан на этой точке зрения.

Ответ зависит от того, относится ли термин «фотон» 1) к конкретному пакету электромагнитной энергии или 2) к пакету неопределенности (то есть «квант»), связанному с конкретным пакетом электромагнитной энергии.

В первом случае нам нужно решить, теряет ли пакет электромагнитной энергии свою идентичность в процессе отражения от зеркала. Я бы сказал, что она не теряет своей идентичности, точно так же, как «пакет энергии» в качающемся маятнике всегда является одной и той же энергией, хотя в один момент она находится в форме гравитационной потенциальной энергии, а в другой момент — в форме кинетическая энергия. Другими словами, в первом случае я бы сказал, что ответ «да, это один и тот же фотон до и после отражения».

Во втором случае ответ «да», потому что практически вся квантовая неопределенность падающего фотона сохраняется в отраженном фотоне.

Чтобы убрать дополнительное осложнение от проблемы. рассмотрим переднюю поверхность зеркала, серебряное покрытие на лицевой стороне. Волновая теория Максвелла упрощает задачу. Плоская волна, падающая на металлическую поверхность, индуцирует ток на поверхности, затем индуцированный ток повторно излучается, составляющая магнитного поля падающей волны параллельна отраженной волне, в результате чего на зеркало действует небольшая сила отталкивания (закон Ленца). ). Таким образом, если зеркало не ограничено, импульс передается зеркалу, эта энергия импульса, потерянная зеркалу, недоступна отраженной волне (мы все уважаем сохранение энергии?). Поскольку частота пропорциональна энергии, частота отраженной волны ниже (красное смещение). этот механизм похож на: классическое комптоновское рассеяние. Легкие паруса также используют этот механизм для космических путешествий: закон отталкивания Ленца .