| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
4. Закони руху для квантів світла |
||
|
Оскільки фотони є частиною електромагнітної хвилі, остільки вони рухаються зі швидкістю світла. Це сильно відрізняє їх від часток, з якими має справу ньютоновская механіка; останні можуть перебувати в стані спокою або мати будь-яку швидкість, тоді як фотони завжди рухаються зі швидкістю світла і ніколи не можуть перебувати в спокої. Число фотонів, що поглинаються екраном, визначає всю суму поглинається світлової енергії. Отже, всі оптичні 'явища повинні відтепер описуватися як руху фотонів. Ми вже говорили, що вираз: світло складається з «часток», не має точного сенсу, якщо ми не сформулюємо законів руху цих частинок. Як ми тепер знаємо і дізнаємося більш детально, фотони підкоряються законам, сильно відрізняється від законів руху, яким підкоряються тіла в механіці Ньютона. Отже, питання про те, давати чи не давати фотонам найменування «частка», є більш-менш справою смаку. Найважливіші оптичні явища добре пояснюються з точки зору хвильової теорії. Ясно, що введення фотонів не повинно змінити цей стан речей. Усяке оптичне явище в кінцевому рахунку описується як розподіл світлих і темних плям на екрані або за допомогою фізико-хімічних ефектів наявності або відсутності освітленості на якому-небудь тілі. За звичайних обставин ми повинні вимагати, щоб фотони підпорядковувалися таким законам руху, які приводили б до одних і тих же розподілам світлих і темних місць, які утворюються згідно хвильової теорії. Як ми дізналися з другого «вирішального експерименту», хвильова теорія веде до неправильних результатів, якщо щільність світлової енергії стає дуже малою. Фотоелектричний ефект показує відхилення від хвильової теорії, якщо на спостережувану площа падає невелике число фотонів. Найхарактернішими результатами, виведеними з хвильової теорії, є інтерференція і диффракция. Вони узгоджуються з результатами спостереження. Експерименти з інтерференції і діффрак-ції були дійсно найпереконливішим доказом правильності хвильової теорії. Ми не будемо широко висвітлювати ці явища і опишемо лише типовий дифракційні експеримент: проходження світла через дві щілини в діафрагмі. Щілини розділені невеликою відстанню dy а довжина хвилі світла X. Для того щоб перевірити, як впливає на світ проходження його через щілини, екран встановлюється за діафрагмою на відстані D. Якщо пучок світлових променів перпендикулярний до діафрагми, то на екрані ми бачимо світлі і темні смуги. З'являється світла смуга в центрі та інші паралельні їй світлі смуги, розділені темними смугами. З точки зору хвильової теорії! це явище (диффракция) виходить наступним чином: з кожної щілини хвилі поширюються за діафрагму. Ці дві хвилі взаємодіють шляхом, накладення коливань друг ла друга, «інтерферіруя». Там, де накладаються гребені хвиль, виходять світлі місця, там же, де гребені накладаються на западини, виходять темні місця. Говорячи математично, де довжина путнього світла, що йде з обох щілин, відрізняється один від одного на одну довжину хвилі або на ціле число довжин хвиль (Я, 2Я,, ЗЛ, ...), там виходить світле місце, а якщо ця різниця шляхів світла становить непарне число половин довжин хвиль (Х / 2, ЗЛ / 2, ...), там виходить темне місце. Ми повинні тепер описати це основне оптичне явище за допомогою поняття «фотона». На екран падає не суцільний фронт хвилі, а порції енергії, звані фотонами. Те, що ми вище назвали «темними смугами» на екрані, тепер ми розглядаємо як місця, куди не падає ніяких фотонів, тоді як яскраві смуги суть місця, де на екран падає велике число фотонів. Звідси ми говоримо, що входить пучок світлових променів розділяється діафрагмою на два пучки, що проходять через дві щілини; потім з кожної щілини рої фотонів потрапляють в простір між діафрагмою і екраном. У щілини фотони відхиляються таким чином, що більшість з них падає на екран у світлих місцях, тоді як тільки деякі потрапляють в темні місця, точніше кажучи, більшість фотонів продовжує свій шлях перпендикулярно до екрану (по напрямку падаючого пучка), значне число їх відхиляється на відстань DXja вправо і вліво, тоді як невелике число їх відхиляється на відстані 2DXfa, 3DX / a, ... Якщо ми спробуємо вивести з цих наслідків класичної хвильової теорії закон руху окремого фотона, то зустрінемося з великими труднощами. Візьмемо дві щілини Sі і S2 на відстані a один від одного. Коли якийсь окремий фотон проходить крізь щілину Si, ми знаємо при цьому тільки те, що з рою фотонів, що проходять частково через Si і частково через S2, більшість потрапить на екран у світлі місця і трохи-в темні. Але якщо ми візьмемо тільки один фотон, що проходить через Si, ми знаємо тільки те, що він повинен впасти на екран в такій точці, що кінцева картина падінь рою буде класичної дифракційні картиною хвильової теорії. Ця картина визначається відстанню а між щілинами, але ж початкові умови нашого експерименту, що має справу з однією щілиною «Si, не містить а. У той же час, ми легко можемо уявити собі і здійснити наступний експеримент: є джерело фотонів дуже слабкої інтенсивності, наприклад випускає тільки один фотон в секунду; ми спостерігаємо їх проходження через наші дві щілини і їх попадання на екран. У цьому випадку дифракційні картина з відстанню між смугами f = DX / a ясно визначається початковими умовами нашого експерименту: джерелом світла, двома щілинами і екраном. Якщо ми почекаємо, поки пройде велике число фотонів, то зможемо передбачити, що в результаті цих багатьох влучень ми спостерігатимемо смуги, розділені відстанню DX / a. Якщо ми закриємо одну з щілин, ця картина зникне; ми будемо бачити іншу картину (залежну від ширини щілини), яку не будемо тут розглядати. Дифракційні картина для двох щілин НЕ БУДЕ накладенням діффрак-ційних картин двох окремих щілин. Отже, не існує закону руху, який визначав би траєкторію одного окремого фотона і дозволив би нам пояснювати спостережувані факти, які мають місце при проходженні фотонів через дві щілини. Це призводить до дуже важливого зміни загальної схеми фізики, особливо схеми законів руху. У той час як фізика Ньютона, включаючи теорію від носительное, будується на основі траєкторій частинок, нова теорія, як ми можемо бачити, веде до поняття частинок (фотонів), але не зводить спостережувані факти до траєкторіях, по яких рухаються ці частинки. Все що ми можемо зробити, це передбачити результати спостережень на даній експериментальній установці, не будучи в змозі описати їх за допомогою подання про траєкторії частинок. Якщо ми розглянемо джерело світла L і світла пляма на екрані, утворене випускаються з L фотонами, то виявимо, що нова змінена хвильова теорія не може відповісти на питання, через яку щілину діафрагми, Sі або S2, пройшли створили це пляма фотони. Ми розглянемо це доказ більш докладно, коли перейдемо до нових законів руху матеріальних частинок, які мають замінити ньютонівські закони руху.
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна " 4. Закони руху для квантів світла " |
||
|
||