Дуализм фотона первого рода

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

В 1801 г. Томас Юнг открыл волновую природу света. В 1900 году Планк опубликовал работу с изложением сути своего открытия: излучение вещества происходит порциями, квантами. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил, что свет может действовать, как поток частиц, «выбивающих» электроны из вещества, поэтому в некоторых твёрдых телах под действием света возникает электрический ток. В 1923 году Луи де Бройль, предположил, что электроны могут вести себя как волны. В 1925 году появилась наука квантовая механика, где корпускулярно – волновой дуализм микрочастиц получил теорию математического обоснования. Квантовая механика рассматривает микрочастицы, как обладающие свойствами частиц, или волны, что подтверждается разными экспериментами. Волновую теорию света подтверждают такие оптические явления, как интерференция, дифракция, поляризация света. Но при взаимодействии света с веществом обнаружены явления, как фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции, - эти явления показывают, что свет состоит из частиц - называемых фотонами. Световая волна – электромагнитное поле должно распространяться по пространству и изменяться на сколь угодно малую величину. Частица света фотон должна сохранять энергию, со временем перемещаться в пространстве и находиться в определённое время в определённой точке пространства. Давление света, качественно и количественно, описывается одинаково корпускулярной и волновой теорией света. В опытах Комптона свет ведёт себя, как поток фотонов при рассеивании излучения на мишени, и как электромагнитная волна при дифракции на кристаллической решётке. Так в науке сложилось понятие двойственной природы света, получившее название корпускулярно – волнового дуализма света. Микрочастица не может существовать без колебаний и перемещаться без волны. В 1923 году Французский физик Луи де Бройль предложил формулу, что длина волны любой частицы обратно пропорциональна её импульсу. Это утверждение многократно подтверждено экспериментами. В журнале Наука и жизнь № 9, 1997 года «Истинный «кентавр» микромира» стр.10 -15, описываются эксперименты, проведённые в Национальном институте стандартов и технологии Калифорнийского университета (г. Беркли США) и Инсбурским Университетом в Австрии. Стандартный эксперимент заключается в том, что при пропускании электронов через две параллельные щели, на люминофорном экране получаем интерференционную картину в виде тёмных и светлых полос, то есть электроны проявляют волновые свойства. Эксперимент усложнили, на одной из щелей электроны отклоняли электромагнитным полем вверх, а на другой щели электроны электромагнитным полем отклоняли вниз. Интерференционная картинка исчезла – электроны регистрировались на экране, как частицы. Дальнейшее усложнение эксперимента сводилось к тому, что между щелями и экраном ставились поляризованные фильтры, у одной щели ставился фильтр с возможностью пропускать горизонтальные волны, а у другой щели с возможностью пропускать вертикальные волны. После этих фильтров на экране интерференционная картинка не возникала. Далее применяется квантовый ластик. Третий поляризатор помещают между двумя поляризаторами и экраном, повернув его под углом в 45 градусов к предыдущим поляризаторам. На экране возникает интерференционная картина. Поворачивая в ту или другую сторону поляризатор, интерференционная картинка постепенно уменьшается и при совпадении направления поляризации с одним из первых двух поляризаторов интерференционная картина исчезает совсем. С помощью квантового ластика доказали, что фотон это и волна и частица одновременно, и концепция дуализма волна или частица остались, как промежуточный путь к знаниям. Но если вспомнить ещё Нильс Бор пытался ввести принцип дополнительности. Немецкий физик Энглер анализировал эксперимент с квантовым ластиком и пришёл к выводу, что на одном конце диапазона имеем волны, а на другом конце диапазона наблюдаем частицы, а промежуток диапазона описывается изменяющимися величинами: X% частица, Y% волна, например: для какого-то промежутка 40% частица, 60% волна. Энглер предложил ввести понятие этим переменным, назвав их предсказуемостью информации о пути движения – мере уверенности экспериментатора в том, что данная частица прошла через данную щель.1 К старому пониманию дуализма привела ошибка рассуждения, заключающая в том, что переменная микрочастица рассматривалась с «допустимой» предельной скоростью света. Всё дело в том, что скорость света для микрочастицы во всех проведённых экспериментах относительная, абсолютная скорость перемещения фотона значительно превосходит скорость света. Рассчитаем абсолютную скорость частицы фотона. На фиг. 1 показано перемещение частицы фотона вдоль оси X. Частица фотон перемещается по синусоиде из точки О в точку А, из точки А в точку О2<, из точки О2 в точку В, из точки В в точку О4. T – период перемещения, А – амплитуда. При этом относительная скорость перемещения фотона по оси X остаётся равной скорости света С. Из точки О в точку А фотон перемещается с абсолютной реальной скоростью, проекция которой на ось Х на отрезке О – О1 равна средней относительной скорости света С. При проекции перемещения абсолютной реальной скорости фотона из точки О до точки А на ось Y,получаем отрезок О – А1, где фотон перемещается со средней скоростью света С. Расчёт средней реальной скорости перемещения из точки О в точку А проведём с помощью элементарной математики. Для этого применим теорему Пифагора. Проекция средней относительной скорости фотона на ось Y от О до А1 равна С. Проекция средней относительной скорости на ось X от точки О до точки О1 равна С. Движение фотона из точки О в точку А по синусоиде, для расчёта заменим на прямолинейный участок. Из прямоугольного треугольника ОО1А , имеем: ОО1 и О1А – катеты, ОА – гипотенуза. Рассмотрим среднюю скорость фотона по гипотенузе ОА.

                                   V2 = V12 + V22.

Где V1 – это проекция средней скорости фотона на ось Х, равна скорости света C , V2 – это проекция средней скорости фотона на ось Y равна скорости света C. Из этого следует, что

                                   V2 = C2 + C2 = 2C2,

откуда

                                   V = √2C2 = 1,41С.

Учитывая, что фотон перемещается из точки О в точку А по синусоиде, реальная скорость его перемещения будет несколько больше 1,41С, но для дальнейшего расчёта примем, что она в предельном случае (нижний предел) равна этой величине. Точно также рассчитывается скорость фотона на отрезке АО2 , О2В , ВО4. Фотон из точки О перемещается в точку А , в точке А фотон меняет направление движения относительно проекции на ось Y, то есть проекция средней скорости на ось Y изменяется от максимума до нуля. Из точки А до точки О2 фотон также перемещается со средней скоростью 1,41, но проекция скорости на ось Y изменяется от нуля в точке А1 до максимума в точке О. Из точки О2 фотон перемещается в точку В со средней скоростью 1,41С, а проекция относительной средней скорости на ось Y изменяется от максимума до нуля. Проекция относительной средней скорости на всех отрезках по оси Х остаётся постоянной, равной скорости света С. Средняя относительная скорость фотона в проекции на ось Y остаётся равной С, но она изменяется от максимума до нуля. Находим скорость перемещения фотона в проекции на ось Y от точки О до точки А1, из точки А1 до точки О, из точки О до точки В1 , из точки В1 до точки О. Рассчитываем максимальную относительную скорость фотона в проекции на ось Y.

                                    VY = (V0 + Vt)/2 = С ,

где V0 = 0 , откуда Vt = 2C. Максимальная скорость фотона в проекции на ось Y, когда фотон проходит точки О , О2 , О4 равна 2С. Вывод: Частица фотон в точке А и в точке В 100%является частицей. В точке О, О2 и О4 фотон 100% является волной. То есть при относительной скорости проекции фотона на ось Y при скорости 2С фотон является 100% волной, при относительной скорости фотона, равной 0 при проекции на ось Y, фотон является 100% частицей. При относительной скорости проекции фотона на ось Y равной С – фотон 50 % волна и 50 % частица. При относительной скорости фотона при проекции на ось Y больше С, фотон больше волна, чем частица. При относительной скорости фотона по оси Y меньше С, фотон больше частица, чем волна. Это свойство фотона назовём принципом полноты перехода.


На фиг. 2 штрихами показаны зоны, где фотон больше частица, чем волна (горизонтальные штрихи), и где фотон больше волна, чем частица (вертикальные штрихи). В общем виде запишем уравнение гармонических колебаний применительно для фиг.1 и фиг.2.

                                     Y(t) = A Sin(ωt + φ),

где Y – смещение (отклонение) колеблющейся точки от положения равновесия в момент времени t ; А – амплитуда колебаний, максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия; ω - циклическая частота, число полных колебаний в течение 2π секунд; (ωt + φ) – полная фаза колебаний; φ - начальная фаза колебаний. Для фиг.1 и фиг.2 - равно нулю, поэтому Y(t) = A Sin(ωt) Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде: d2y/dt2 + ω2y = 0


Список используемой литературы:

  1. Журнал «Наука и жизнь» № 9, 1997г.
  2. Ф.К.Кнойбюль «Пособие для повторения физики». Перевод с немецкого кандидата физико-математических наук А.В. Беркова. Москва «Энергоиздат» 1981г.
  3. Энрико Ферми «Квантовая механика» (конспект лекций). Издательство «Мир» Москва, 1968 г.
  4. Ю.В. Гофман «Законы, формулы, задачи физики» Справочник. Киев «Наукова думка», 1977 г.
  5. Ф.А. Королёв «Курс Физики. Оптика, атомная и ядерная физика», «Учпедгиз», 1967г.
  6. Н.И. Кошкин и М.Г. Ширкевич «Справочник но элементарной математике» Издательство «Наука» Москва, 1976 г.
  7. Е.И. Бутиков, А.А. Быков, А.С. Кондратьев «Физика в примерах и задачах», Москва, «Наука»,1979 г.
  8. И.А. Лободюк, К.П. Рябошапка, О.И. Шулишова «Справочник по элементарной физике». Издательство «Наукова думка», Киев, 1975 г.
  9. Л.К. Мартинсон, Е.В. Смирнов «Квантовая физика». Физика в техническом университете том 5. МГТУ им. Н.Э.Баумана. Кафедра Физики.