Vlnová teorie světla i částicová teorie světla jsou aproximacemi hlubší teorie zvané Kvantová elektrodynamika (zkráceně QED). Světlo není vlna ani částice, ale místo toho je to excitace v kvantovém poli.

QED je komplikovaná teorie, takže i když je možné provádět výpočty přímo v QED, často se nám zdá jednodušší použít přiblížení. Vlnová teorie světla je často dobrou aproximací, když se díváme na to, jak se světlo šíří, a částicová teorie světla je často dobrou aproximací, když se díváme na to, jak světlo interaguje, tj. Vyměňuje energii s něčím jiným.

Takže v tomto vysvětlení není opravdu možné odpovědět na otázku kde je foton . Obecně platí, že pokud se díváte na systém, jako je ten ve videu, kde je vlnová teorie dobrým popisem světla, zjistíte, že fotonová teorie je špatným popisem světla a naopak . Dva způsoby pohledu na světlo se vzájemně doplňují.

Například když se podíváte na experiment popsaný v odpovědi Anny (což je jeden z klíčových experimentů v porozumění difrakci!), Vlnová teorie nám dá dobrý popis toho, jak světlo prochází Youngovými štěrbinami a vytváří interferenční obrazec, ale nedokáže popsat, jak světlo interaguje s fotonásobičem použitým k záznamu obrazu. Naproti tomu teorie fotonů nám dává dobré vysvětlení toho, jak světlo interaguje s fotonásobičem, ale nedokáže popsat, jak prošlo štěrbinami a vytvořilo difrakční obrazec.

V tomto odkazu existuje matematické vysvětlení toho, jak celek fotonů o frekvenci $ \ nu $ a energii $ E = h \ nu $ nakonec vytvoří koherentní klasickou elektromagnetickou vlnu frekvence $ \ nu $.

Není jednoduché sledovat, pokud člověk nemá matematické pozadí. Koncepční sledování hromadění interferenčních proužků z jednotlivých fotonů ve dvouštrbinovém experimentu vám může dát intuici o tom, jak i když se světlo skládá z jednotlivých elementárních částic, fotonů, klasický vlnový vzor se objeví, když se soubor zvětší. / a>

Obrázek 1. Jednofotonový kamerový záznam fotonů z dvojité štěrbiny osvětlené velmi slabým laserovým světlem. Zleva doprava: jeden snímek, superpozice 200, 1’000 a 500’000 snímků.

V roce 1995 Willis Lamb publikoval provokativní článek s názvem „Anti-photon“, Appl. Phys. B 60, 77-84 (1995). Jelikož byl Lamb jedním z velkých průkopníků fyziky 20. století, není snadné ho odmítnout jako starou kliku.

V úvodním odstavci píše:

Fotonové koncepty, jak je používá velké procento laserové komunity, nemají vědecké opodstatnění. Nyní je to asi třicet pět let po vyrobení prvního laseru. Čím dříve bude možné provést odpovídající přeformulování našich vzdělávacích procesů, tím lépe.

Na závěr končí těmito komentáři:

O dualitě vlnových částic je v diskusi o kvantové mechanice toho hodně. To může být nezbytné pro ty, kteří nejsou ochotni nebo neschopní porozumět teorii. Tento koncept je však ještě více zbytečně představen v diskusích o problémech v kvantové teorii nebo záření. Zde se objevují vlny normálního režimu čistě klasické elektrodynamiky a pro každý normální režim existuje ekvivalentní pseudosimplická harmonická oscilátorová částice, která pak může mít vlnovou funkci, jejíž argumentem je odpovídající amplituda normálního režimu. Pamatujte, že částice není foton. Dalo by se spíše uvažovat o multiplicitě dvou odlišných vlnových konceptů a konceptu částic pro každý normální režim radiačního pole. Takové pojmy však opravdu nejsou užitečné ani vhodné. „Princip komplementarity“ a představu duality vlnových částic představil N. Bohr v roce 1927. Odráží skutečnost, že se většinou zabýval teoretickými a filozofickými koncepty a podrobnou práci ponechal postdoktorským asistentům. Je velmi pravděpodobné, že Bohr sám po provedení kvantové mechaniky v letech 1925-1926 nikdy neprovedl významný kvantově-mechanický výpočet. Je nejvyšší čas vzdát se používání slova „foton“ a špatného konceptu, který bude brzy starý sto let. Záření nespočívá v částicích a klasický, tj. Nekvantový limit QTR je popsán Maxwellovými rovnicemi pro elektromagnetická pole, která částice nezahrnují. Mluvit o radiaci ve smyslu částic je jako používat takové všudypřítomné fráze jako „Víte“ nebo „Myslím“, které v některých kulturách velmi dobře zazní. Pro přítele Charlieho Browna by to mohlo sloužit jako druh bezpečnostní přikrývky.

Fotonové dilema

Planck předpokládá, že energie je kvantována. Díky klasické elektromagnetické teorii je světlo elektromagnetickým polem. Toto pole splňuje vlnovou rovnici pohybující se rychlostí světla. Světlo je tedy elektromagnetická vlna. Světlo se skládá z fotonů; a tak každý foton nese jednotku energie. Toto chování je demonstrováno fotoelektrickými a Comptonovými efekty. Protože světlo je elektromagnetická energie, musí fotony nést také elektromagnetické pole a jeho jednotku. I když jsou fotony kvantové objekty, světlo stále podléhá Maxwellově klasické teorii. Fotonový model není kriticky konzistentní s Maxwellovými rovnicemi, protože má dvojí povahu. Ve skutečnosti světlo jako vlna dobře popisuje Maxwell. Připomeňme, že Maxwellovy rovnice nezahrnují Planckovu konstantu, a proto nemohou popsat částicovou povahu fotonu. Kompletní Maxwellovy rovnice by měly zahrnovat tento chybějící prvek. V kvantovém elektrodynamickém paradigmatu je foton přiveden k interakci s elektrony vyvoláním myšlenky minimální vazby, kde si elektrony a fotony vyměňují hybnost. Foton se jeví jako prostředník mezi nabitými částicemi.

Zatímco pohybující se nabitá částice má své vlastní elektrické pole a magnetické pole, které závisí na rychlosti částice, foton, nosič elektromagnetické energie je prázdný od těchto vlastních polí, protože nemá žádný náboj a Hmotnost. Foton bez náboje tedy nemůže mít elektrická a magnetická pole doprovázející jeho pohyb.

Příslušné Maxwellovy rovnice by pak měly zahrnovat lineární hybnost fotonu i jeho moment hybnosti. V takovém případě mohou potom nové Maxwellovy rovnice popsat dvojí povahu fotonu. Stejně jako elektrický náboj je moment hybnosti obecně konzervovanou veličinou. Otázkou je, jak lze tyto fotonové vlastnosti opravit? Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je použít čtveřice, které obecně umožňují spojit mnoho fyzikálních vlastností do jedné rovnice. Je to tak proto, že čtveřice algebry je na rozdíl od běžných reálných čísel tak bohatá. Za tímto účelem využíváme držák komutátoru polohy a hybnosti a vyvolali jsme fotonovou vlnovou funkci. Tato vlnová funkce je konstruována z lineární komplexní kombinace elektrického a magnetického pole.

Výsledek závorky získá tři rovnice definující elektrické a magnetické pole fotonu z hlediska jeho momentu hybnosti. Ukázalo se, že tyto rovnice jsou velmi podobné polím vytvořeným pohyblivým nábojem. Elektrické a magnetické pole fotonu tedy nevyžaduje náboj fotonu. Je zajímavé, že foton nemá žádný náboj a hmotu, ale má elektrická a magnetická pole a také energii. Tato pole by měla také splňovat Maxwellovy rovnice. Tímto způsobem se získá další elektrický a magnetický náboj a proudové hustoty fotonu. Vznikající Maxwellovy rovnice jsou nyní vhodné k popisu fotonu jako kvantové částice. Tyto další termíny v Maxwellových rovnicích jsou zdrojem při popisu chování fotonové kvantové elektrodynamiky. Některé naléhavé jevy spojené s topologickým izolátorem, Faradayovým rotačním efektem, Hallovým efektem a Kerrovým efektem mohou být příklady pojmů tohoto příspěvku k Maxwellovým rovnicím.

Zde jsou kvantované Maxwellovy rovnice zahrnující fotonovou lineární a úhlovou hybnost. Jedná se o elektrické a magnetické pole způsobené fotonem jako částicemi: \ begin {rovnice} \ vec {L} \ cdot \ vec {E} = - \ frac {3 \ hbar c} {2} \, \ Lambda \ ,, \ qquad \ qquad \ vec {L} \ cdot \ vec {B} = 0 \ ,, \ end {rovnice} a \ begin {rovnice} \ vec {B} = - \ frac {2} {3 \ hbar c} \, (\ vec {L} \ times \ vec {E}) \ ,, \ qquad \ qquad \ vec {E} = \ frac { 2 c} {3 \ hbar} (- \ Lambda \, \ vec {L} + \ vec {L} \ krát \ vec {B}) \ ,. \ end {rovnice} A toto jsou nové Maxwellovy rovnice: \ begin {rovnice} \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E} = - \ frac {4c} {3 \ hbar} \, \, (\ vec {B} - \ frac {1} {2} \, \ mu_0 \ vec {r} \ times \ vec {J}) \ cdot \ vec {p} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \, \ vec {E} \ cdot \ vec {\ tau} + \ frac {\ částečné \ Lambda} {\ částečné t} \ ,, \ qquad \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {B} = \ frac {4} {3 \ hbar c} \, \, \ vec {E} \ cdot \ vec {p} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \, \ vec {B} \ cdot \ vec {\ tau} \ ,, \ end {rovnice} a \ begin {rovnice} \ vec {\ nabla} \ times \ vec {B} = \ frac {1} {c ^ 2} \, \ frac {\ částečné \ vec {E}} {\ částečné t} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \ left (\ Lambda \ vec {\ tau} + \ vec {B} \ times \ vec {\ tau} - \ frac {\ vec {P}} {\ varepsilon_0} \ times \ vec {p} \ right) - \ vec {\ nabla} \ Lambda \ ,, \ end {equation}

\ begin {rovnice} \ vec {\ nabla} \ times \ vec {E} = - \ frac {\ částečné \ vec {B}} {\ částečné t} - \ frac {2c} {3 \ hbar} \ vlevo (\ mu_0 \ vec { J} \ times \ vec {L} + \ frac {\ vec {\ tau}} {c ^ 2} \ times \ vec {E} +2 \ Lambda \, \ vec {p} \ vpravo) \ ,, \ end {rovnice} kde \ begin {rovnice} - \ Lambda = \ frac {1} {c ^ 2} \, \ frac {\ částečné \ varphi} {\ částečné t} + \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {A} = \ částečné \ mu A ^ \ mu \ ,. \ end {rovnice} Ve standardní elektrodynamice $ \ Lambda = 0 $ představuje Lorenzův stav.

Abyste pochopili dualismus vlnových částic, musíte jednoduše pochopit, jaký je čas:

V roce 1905 byl newtonovský jedinečný časový koncept nahrazen dvojnásobným časovým konceptem pozorovaného souřadnicového času a správného času - pozorovaný čas je relativní a závislý na pozorovateli a je odvozen z vlastního vlastního času pozorované částice ( "Čas měřený hodinami sledujícími daný objekt"). Správný čas je zásadnější pojem času.

Dualismus vlnových částic pochopíte, vezmete-li v úvahu nejjednodušší případ fotonu, kterým je foton pohybující se rychlostí světla c. Časoprostorový interval takových fotonů (který odpovídá jejich správnému času) je nula. To znamená, že událost emise a událost absorpce sousedí v časoprostoru, vysílající hmotná částice přenáší hybnost, která se nazývá foton, přímo na absorpční hmotnou částici, aniž by mezi nimi existoval jakýkoli časoprostor. To znamená, že charakteristiky částic jsou přenášeny přímo bez potřeby jakékoli bezhmotné částice.

Avšak pro pozorovatele nelze pozorovat nulový časoprostorový interval, např. mezi Sluncem a Zemí je pozorováno osm světelných minut, i když je časoprostorový interval dráhy fotonu nulový. I přes přímý přenos hybnosti mezi dvěma hmotnými částicemi pozorovatelé pozorují elektromagnetickou vlnu, která vyplňuje mezeru osmi světelných minut.

Stručně řečeno, charakteristiky částic se přenášejí přímo podle principů časoprostorových intervalů a správného času, zatímco vlna se přenáší podle zásad pozorovaného časoprostorového potrubí.

Nyní se zeptáte: A co fotony, které se pohybují pomaleji než c (gravitačními poli a průhledným médiem)?Odpověď je, že zde jsou implikovány kvantové efekty, jako je nelokálnost.Je však důležité si všimnout, že limitní případ fotonů ve vakuu pohybujících se v c lze vysvětlit a pochopit klasicky, aniž by bylo zapotřebí jakékoli kvantové teorie.

W co jsou fotony?

Fotony se emitují pokaždé, když má tělo teplotu vyšší než 0 Kelvinů (absolutní nulová teplota).Všechna těla, která nás obklopují (kromě černých děr), kdykoli vyzařují.Vyzařují záření do okolí i záření z okolí.Max Planck byl fyzik, který zjistil, že toto záření musí být emitováno v malých částech, později nazývaných kvanta a ještě později nazývaných fotony.Po provedení některých změn ve fantazii toho, jak jsou elektrony rozloženy kolem jádra, byl vyvozen závěr, že elektrony jsou rušeny přicházejícími fotony, čímž získávají energii a vracejí tuto energii zpět pomocí emise fotonů.A fotony vyzařují nejen z elektronů.Jádro, pokud je dobře narušeno, emituje také fotony.Taková záření se nazývají rentgenové a gama paprsky.

W Co je elektromagnetické záření?

EM záření je součet všech emitovaných fotonů ze zapojených elektronů, protonů a neutronů těla. Všechna těla emitují infračervené záření; začínající přibližně 500 ° C vyzařují viditelné světlo, nejprve září červeně a pak svítí stále jasněji. Existuje několik metod stimulace emise EM záření. Bylo zjištěno, že vedle opětovné emise fotonů existuje druhá možnost generovat EM záření. Pokaždé, když je elektron zrychlen, emituje fotony. Toto vysvětlení pomáhá pochopit, co se děje v žhavém vláknu elektrické žárovky. Elektrony na vláknu se nepohybují přímo vpřed, narážejí k sobě a běží cik-cak. Tímto zrychlením ztrácejí energii a tato energie je emitována jako fotony. Většina z těchto fotonů jsou infračervené fotony a některé z nich jsou v rozsahu viditelného světla. Ve fluorescenční trubici se elektrony zrychlují s vyšší energií a vyzařují ultrafialové fotony (které se fluorescenčním povlakem skla přeměňují na viditelné světlo). Vyšší energie (s vyšší rychlostí) elektrony dosáhnou jádra a jádro emituje rentgenové záření. Dokud je zavedená energie spojitým tokem, nikdo není schopen měřit oscilaci EM záření.

W Co jsou to EM vlny?

Pomocí generátoru vln je možné vytvořit oscilační EM záření. Taková záření se nazývají rádiové vlny. Bylo zjištěno, že modifikovaný LC obvod v jednotce s generátorem vln je schopen vyzařovat a že je možné odfiltrovat takové modulované záření (o určité frekvenci) z okolního hlučného EM záření.

Takže generátor vln má dvojí funkci. Generátor musí zrychlovat dopředu a dozadu elektrony uvnitř tyče antény, čímž se emitují fotony radiových vln a generátor umožňuje modulovat toto EM záření nosnou frekvencí. Je třeba zdůraznit, že frekvence emitovaných fotonů je v IR rozsahu a někdy v rentgenovém rozsahu. Mezi délkou tyče antény a frekvencí generátoru vln je optimální poměr. Samozřejmě lze změnit délku tyče nebo změnit frekvenci generátoru. Tím se změní účinnost záření pouze na potřebný vstup energie. Závěr od délky tyče antény po vlnovou délku emitovaných fotonů je nesmysl.

W Jaká je vlnová charakteristika fotonu?

Jelikož jsou elektrony v tyči antény zrychlovány víceméně současně, emitují fotony současně. EM záření antény je měřitelné a bylo zjištěno, že blízké pole antény má dvě složky, složku elektrického pole a složku magnetického pole. Tyto dvě komponenty se navzájem převádějí, navzájem se indukují. V určitém okamžiku je vysílací energie ve složce elektrického pole a jinak je energie ve složce magnetického pole. Proč tedy nevyvodit závěr z celkového obrazu s povahou zapojených fotonů? Jsou to složky, které vytvářejí rádiové vlny.

Uvádíte, že ve videu je uvedeno, že elektromagnetická vlna je „řetězová reakce elektrických a magnetických polí, která se navzájem vytvářejí, takže se řetězec vlny pohybuje vpřed.“ S tímto názorem nesouhlasím. Existuje pouze jedna vlna, vektorového potenciálu nebo obecněji ze čtyř potenciálu. Elektrické a magnetické pole jsou pouze deriváty vektorového potenciálu a netvoří se navzájem.

Odmítnutím tohoto vysvětlení se dostáváme k vaší hlubší otázce: „Jaký je vztah mezi elektromagnetickou vlnou a fotonem?“

Ještě před několika lety jsem sdílel názor Willise Beránka, že foton je fiktivní částice. Nakonec jsem si to rozmyslel, protože takové vysvětlení nemůže odpovídat za difrakční experimenty s nízkou intenzitou. Jak může jediný atom nebo molekula absorbovat vlnu, která je mnohem větší než ona? Všimněte si, že zde nemám v úmyslu o tom diskutovat, ale chci podat svůj výklad. To znamená, že vektorový potenciál popisuje pravděpodobnost fotonu, který je absorbován, stejně jako Schrödingerova a Diracova vlnová funkce pro elektron. Ve skutečnosti lze Maxwellovy rovnice ve vakuu psát jako vlnovou rovnici, která se velmi podobá Klein-Gordonově rovnici. Tato interpretace naznačuje, že foton skutečně existuje jako částice, mnohem menší než atom a alespoň tak malá jako nukleon.