Фотон

Фотоны в веществе

Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем $ ~c $ — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью ~c. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света ~c, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей ~c. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

Вклад фотонов в массу системы

Энергия системы, излучающей фотон с частотой $ \nu $, уменьшается на величину $ ~E=h\nu $, равной энергии этого фотона. В результате масса системы уменьшается (если пренебречь переданным импульсом) на $ ~{E}/{c^2} $. Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину.

В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.

Попытки опровержения гипотезы фотона[править]

До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Как упомянуто в нобелевской лекции Роберта Милликена, предсказания, сделанные в 1905 г. Эйнштейном, были проверены экспериментально несколькими независимыми путями в первые два десятилетия 20-го века. тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона
большинство физиков неохотно соглашались с идеей
корпускулярной природы электромагнитного излучения.
(См., например, Нобелевскую лекцию Вильгельма Вина,Макса Планка и
Роберта Милликена.) Это неприятие объяснялось успехами волновой теории света Максвелла.

Многие физики считали, что квантование энергии в процессах излучения и
поглощения света являлось следствием неких свойств вещества, излучающего или поглощающего свет. Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд и другие создали модели атома с дискретными уровнями энергии, которые объясняли наличие спектров излучения и поглощения у атомов и, более того, находились в прекрасном согласии с наблюдаемым спектром водорода (правда, получить спектры других атомов в этих моделях не удавалось). Только рассеяние фотона свободным электроном (который не имеет внутренней структуры и, соответственно, не может иметь энергетических уровней) заставило многих поверить в квантовую природу света.

Примечания[править]

1. ↑ Cocconi, G (1992). «Upper Limits on the Electric Charge of the Photon». American Journal of Physics 60: 750—751.Kobychev, V V; Popov, S B (2005). «Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources». Astronomy Letters 31: 147—151. DOI:10.1134/1.1883345.Altschul, B (2007). «Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation». Physical Review Letters 98: 261801. Ошибка цитирования Неверный тег : название «chargeless» определено несколько раз для различного содержимого
2. ↑ Einstein, A (1905). «Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light)». Annalen der Physik 17: 132—148. (German). An English translation is available from Wikisource.
3. Einstein, A (1909). «Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation)». Physikalische Zeitschrift 10: 817—825. (German). An English translation is available from Wikisource.
4. Einstein, A (1916a). «Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie». Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318. (German)
5. Einstein, A (1916b). «Zur Quantentheorie der Strahlung». Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). (German)
6. Lewis, GN (1926). «The conservation of photons». Nature 118: 874—875.

7. См. масса в теории относительности для обсуждения связи между массой покоя и релятивистcкой массой.

8. Заметим, что при аннигиляции образуется два фотона (а не один), поскольку в системе центра масс сталкивающихся частиц их суммарный импульс равен нулю, а один рожденный фотон всегда будет иметь ненулевой импульс. Закон сохранения импульса требует рождения, как минимум, двух фотонов с нулевым общим импульсом. Энергия фотонов (и, следовательно, их частота) определяется законом сохранения энергии

9. Этот процесс является преобладающим при распространении гамма-лучей высоких энергий через вещество.

10. ↑ «Robert A. Millikan’s Nobel Lecture». Delivered 23 May
    .
11. Compton, A (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». Physical Review 21: 483—502.
12. «Wilhelm Wien Nobel Lecture». Delivered 11 December .
13. «Max Planck’s Nobel Lecture». Delivered 2 June .
14. Taylor, GI (1909). «Interference fringes with feeble light». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 15: 114—115.

Фотон как калибровочный бозон

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.

Квант такого калибровочного поля должен быть безмассовым незаряженным бозоном, пока симметрия не нарушится. Поэтому фотон (который как раз и является квантом электромагнитного поля) рассматривается в современной физике как безмассовая незаряженная частица с целым спином. Корпускулярная модель электромагнитного взаимодействия приписывает фотону спин, равный $ \pm 1 $; это означает, что спиральность фотона равна $ \pm \hbar $. С точки зрения классической физики спин фотона можно интерпретировать как параметр, отвечающий за поляризационное состояние света (за направление вращения вектора напряжённости в циркулярно-поляризованной световой волне). Виртуальные фотоны, введённые в рамках квантовой электродинамики, могут также находиться в нефизических поляризационных состояниях.

В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов, осуществляющих электрослабое взаимодействие. Остальные три (W+, W− и Z0) называются векторными бозонами и отвечают только за слабое взаимодействие. В отличие от фотона у векторных бозонов есть масса, они обязаны быть массивными вследствие того, что слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях,

Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (так называемое «великое объединение»). Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона, до сих пор не были обнаружены экспериментально.

История названия и обозначения[править]

Фотон изначально был назван «световым квантом» (das Lichtquant) его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин фотон начал использоваться большинством физиков.

В физике, фотон обычно означается символом \(\gamma\) (греческая буква гамма). В химии и оптической инженерии, для фотонов известно обозначение \(h \nu\), где \(h\) — постоянная Планка и \(\nu\) (греческая буква ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).

История[править]

Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в для объяснения свойств теплового излучения. Термин «фотон» введён химиком Г. Льюисом в .

Фотон
Классификация
Элементарная частица Бозон Калибровочный бозон Переносчик электромагнитного взаимодействия
Свойства
символ = \(\gamma,\,\)<br\> иногда \(\gamma^0,\, h\nu\) Количество типов = 1 Поколение = — взаимодействие = электромагнитное, гравитационное Античастица = \(\gamma\,\) теоретически_обоснована = М. Планк ();Альберт Эйнштейн (−) обнаружена = (окончательное подтверждение) масса = 0 (<6×10−17эВ) время_жизни = стабилен каналы_распада = — электрический_заряд = 0 (<10−32e) цветовой_заряд = — спин = 1 Кол-во спиновых состояний = 2

В современной физике фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Альбертом Эйнштейном
для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света, например при изучении фотоэффекта.

Предпринимались попытки объяснить аномальное поведение света полуклассическими моделями, в которых свет по-прежнему описывается уравнениями Максвелла, а объекты, излучающие и поглощающие свет, квантуются. Несмотря на то, что полуклассические модели оказали влияние на развитие квантовой механики, эксперименты полностью подтвердили правоту Эйнштейна о корпускулярной природе света.

Концепция фотона привела ко многим новым теориям и открытиям, например, лазер, конденсация Бозе — Эйнштейна, квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В соответствии со Стандартной Моделью физики элементарных частиц, фотоны ответственны за наличие всех электрических и магнитных полей, а само их существование следует из симметрии физических законов относительно пространства и времени. Внутренние свойства фотона (электрический заряд, масса и спин) определяются калибровочной симметрией.

Концепция фотонов имеет множество приложений, таких фотохимия, видеотехника, компьютерная томография, микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний. С недавнего времени фотоны также изучаются как элементы квантовых компьютеров и сложных приложений в передаче данных (квантовая криптография).

Физические свойства фотона[править]

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.
Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, как было описано выше. не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны \(\lambda \!\) и его направление распространения. Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, когда атом или ядро переходят из возбужденного состояния в состяние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон—позитрон.
При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов.

Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью \(c \!\) (скорость света в вакууме). Если его энергия равна \(E \!\), то импульс \(\mathbf{p}\) связан с энергией соотношением \(E = c \, p \!\). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой \(E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!\), как показано в специальной теории относительности.

Энергия и импульс фотона зависят только от его частоты \(\nu \!\) (или, что то же самое, длины волны \(\lambda \!\))
$$
E = \hbar\omega = h\nu \!
$$
$$\mathbf{p} = \hbar\mathbf{k}$$

и, следовательно, величина импульса есть
$$
p = \hbar k = \frac{h}{\lambda} = \frac{h\nu}{c}
$$

где \(\hbar\) — постоянная Планка, \(h/2\pi \!\); \(\mathbf{k}\) — волновой вектор и \(k = 2\pi/\lambda \!\) — его величина (волновое число), и \(\omega = 2\pi\nu\!\) — угловая частота. \(\mathbf{k}\) указывает направление движения фотона. Фотон также имеет спин, который не зависит от частоты.

Корпускулярно-волновой дуализм[править]

Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм, Связанные когерентные состояния

Корпускулярно-волновой дуализм, свойственный фотону, труден для понимания.
С одной стороны, фотон демонстрирует свойства волны в явлениях диффракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона.
Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.
.
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей.
Скорее, фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или, вообще, могут считаться точечными (например, электрон).

Дополнительная информация[править]

• Clauser, JF. (1974). «Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect». Phys. Rev. D 9: 853—860.
• Kimble, HJ; Dagenais M, and Mandel L. (1977). «Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence». Phys. Rev. Lett. 39: 691.
• Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). «Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences». Europhysics Letters 1: 501—504.
• Thorn, JJ; Neel MS, Donato VW, Bergreen GS, Davies RE and Beck M. (2004). «Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory». American Journal of Physics 72: 1210—1219.
• A. Pais Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford University Press, 1982. — С. 364—388, 402—415.о книге Интересная история о становлении теории фотона.
• «Нобелевская лекция Рея Глаубера (]) «100 лет кванту света»». 8 December . Еще одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Метки

Адсорбция
Библия
Броуновское движение
Вращение Земли
Гравитационная постоянная
Гравитация
Граница Мохоровичича (Мохо)
Давление света
ЗЭТ
Закон Всемирного Тяготения
Землетрясение
Землетрясения
Земля
Ломоносов
Магнитные полюса
Масса
Планеты
Почему не падают облака
Смена магнитных полюсов
Солнце
Тепловой терминатор
Трансформатор Тесла
Тунгусский метеорит
Фотонно-квантовая гравитация
Эффект Мёссбаура
гравитон
детонация
зона электрических токов
крафон
магнитное поле Земли
молекулярно-кинетическая теория
постоянная гравитации
притяжение
серебристые облака
температура
теплота
теплота трение
термон
тяготение
фотон
электромагнитные волны
эффект гравитационного смещения

Можно ли увидеть запутанные частицы?

Люди-наблюдатели также могли бы принять испытание другой интересной концепции квантовой механики: запутанности. Запутанные частицы обладают одним квантовым состояниям и ведут себя так, будто связаны между собой, независимо от того, как далеко находятся друг от друга.

Тесты Белла, названные в честь ирландского физика Джона С. Белла, это категория экспериментов, доказывающих, что квантовая запутанность нарушает некоторые из наших естественных представлений о реальности. В тесте Белла измерения пары запутанных частиц показывают результаты, которые не могут быть объяснены какой-либо теорией, которая подчиняется принципу локального реализма. Локальный реализм — это пара, казалось бы, очевидных предположений. Первое — это локальность: вещи, которые находятся далеко друг от друга, не могут воздействовать друг на друга быстрее, чем путешествует сигнал между ними (и теория относительности подсказывает нам, что эта скорость — скорость света). Второе — это реализм: вещи в физическом мире всегда имеют конкретные свойства, даже если не измеряются и не взаимодействуют с чем-нибудь еще.

Примерно так фотоны несутся сквозь пространство

Суть теста Белла заключается в том, что даны две частицы, которые взаимодействуют между собой и запутываются, после чего мы их разделяем и проводим измерения каждой. Мы проводим несколько видов измерений — скажем, измерение поляризации в двух разных направлениях — и договариваемся, какое из них проводить «случайно», так чтобы две частицы не могли «согласовать» результаты заранее. (Звучит странно, но когда речь заходит о квантовом мире, все становится странным). Эксперимент повторяется много раз и новые пары частиц позволяют накопить статистический результат. Локальный реализм накладывает строгий математический лимит на то, как сильно результаты между двумя частицами должны коррелировать, если не связаны неким причудливым образом. В десятках проведенных тестах Белла этот лимит был нарушен, доказывая, что квантовая механика не подчиняется локальности, реализму или им обоим.

Запутанные фотоны обычно предпочитают среди частиц в тестах Белла, и измерения нарушения локального реализма производятся при помощи электронных однофотонных детекторов. Но если люди могут видеть отдельные фотоны, наблюдатель мог бы заменить один из таких детекторов, играя непосредственную роль в проверке локального реализма.

Удобно, что спонтанное параметрическое преобразование также можно использовать для получения запутанных фотонов.

Зачем нужны такие эксперименты? Помимо фактора исключения, есть и серьезные научные причины. Причина того, почему и как состояние суперпозиции схлопывается с генерацией определенного результата, это все еще одна из величайших загадок физики. Проверка квантовой механики с помощью нового, уникального, готового к измерениям аппарата — зрительной системы человека — могла бы исключить определенные теории. В частности, есть ряд теорий о макрореализме, из которых вытекает, что есть пока не открытый физический процесс, который всегда приводит к тому, что суперпозиция крупных объектов (вроде глазных яблок и котов) схлопывается очень быстро. Это означало бы, что суперпозиция крупных объектов практически невозможна — а не маловероятна. Нобелевский лауреат, физик Энтони Леггетт из Университета Иллинойса активно разрабатывал тесты подобных теорий. Если бы эксперименты с суперпозицией при участии зрительной системы человека показали четкое отклонение от стандартной квантовой механики, это доказало бы, что макрореализм вполне существенен.

Подумать только, сколько интересного вытекает из каждого странного следствия квантовой механики — и сколько нам еще только предстоит обнаружить. Обо всем таком вы можете почитать .