Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk
3683
BLOG

Co to jest foton?

Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 160

 

W lutym roku 1672 Sir Isaac Newton w swoim liście do Królewskiego Towarzystwa Filozoficznego przedstawiał swoją Nową Teorię Światła i Barw. Po przedstawieniu opisu swych licznych doświadczeń mamy tam taki fragment:
 
These things being so, it can no longer be disputed, whether there be colours in the dark, nor whether they be the qualities of the objects we see, no nor perhaps, whether Light be a Body. For, since Colours are the qualities of Light, having its Rays for their intire and immediate subject, how can we think those Rays qualities also, unless one quality may be the subject of and sustain another; which in effect is to call it Substance. We should not know Bodies for substances, were it not for their sensible qualities, and the Principal of those being now found due to something else, we have as good reason to believe that to be a Substance also.
 
Besides, whoever thought any quality to be a heterogeneous aggregate, such as Light is discovered to be. But, to determine more absolutely, what Light is, after what manner refracted, and by what modes or actions it produceth in our minds the Phantasms of Colours, is not so easie. And I shall not mingle conjectures with certainties.” +
 
Całość dostępna jest w Archiwum Projektu Newtona. Ze względu na użycie starego języka angielskiego nie podejmuję się choćby i nieliterackiego przetłumaczenia tego fragmentu. Jakaś ważna subtelność mogłaby mi umknąć, lub mógłbym treść zniekształcić. Dość, że kończy Newton tym, że stwierdzenie czym w istocie jest światło i jak działa na nasze umysły jest rzeczą trudną i on, Newton, nie chciałby tu mieszać domysłów z tym co pewne.
 
Upłynęło dwieście lat. W Londynie, około roku 1862 James Clerk Maxwell obliczył prędkość propagacji zaburzeń elektromagnetycznych, po czym stwierdził:
 
We can scarcely avoid the conclusion that light consists in the transverse undulations of the same medium which is the cause of electric and magnetic phenomena.
 
Trudno uniknąć wyciągnięcia stąd wniosku, że światło polega na poprzecznych falowaniach tego samego ośrodka który jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych.
 
W roku 1864 James Clerk Maxwell pisał tak o prędkości rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych:
 
This velocity is so nearly that of light, that it seems we have strong reasons to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws.
 
Prędkość ta jest tak bliska prędkości światła, że wydaje się iż mamy mocne powody do stwierdzenia, że światło samo (włączając w to promieniowanie cieplne a także inne formy promieniowania, jeśli takowe są) jest zaburzeniem elektromagnetycznym w postaci fal propagujących się dzięki polu elektromagnetycznemu i zgodnie z prawami elektromagnetyzmu.
 
 
Gdy coś faluje, podobne musi być w swej naturze do struny w lutni. Struna w lutni może falować na wiele sposobów – mówimy o „elementarnych modach drgań”. Elementarny mod drgań pola elektromagnetycznego nazywamy dziś fotonem. Pozostają wszak pytania: Ile strun ma elektromagnetyczna lutnia Wszechświata? Z czego są zrobione? Z jakiejgo to tworzywa? Patrząc na tęczę, przelatując kanały telewizora, dochodzimy do wniosku, że strun jest zapewne wiele. Być może nieskończenie wiele, nawet nieprzeliczalnie wiele. A z jakiego tworzywa są zrobione? A jakież to „tworzywo” wypełnia cały Wszechświat, nadaje mu kształt, odpowiedzialne jest za jego geometrię? Znamy jedno – to pole grawitacyjne. W jakiś, do dziś nie do końcu zrozumiany sposób, pole grawitacyjne i pole elektromagnetyczne rozmawiają ze sobą i wypełniają w ten sposób Wszechświat, zarówno ten widzialny jak i ten niewidzialny, sensem. Tak przynajmniej ja to widzę. Inni mogą widzieć to inaczej.
 
Jakkolwiek by to nie było, mamy równania Maxwella. Stosują je z powodzeniem od setek lat inżynierowie elektrycy a także optycy. Owszem toczą się spory jak dany efekt wyjaśnić: czy pierwsze jest jajko czy kura? Bywają efekty, dla wyjaśnienia których trzeba się sporo nagimnastykować. Zwłaszcza gdy w grę zaczynają wchodzić zjawiska kwantowe. A to przecież efekty kwantowe odpowiedzialne są za wiązania chemiczne, za stabilność materii..... No właśnie, ale jak się mają równania Maxwella do kwantów? I gdzie w nich ukryte są fotony?
 
Na ten temat toczą się żarliwe dyskusje. Ważnym, nawet bardzo ważnym wkładem do tych dyskusji są publikacje naszego polskiego super-eksperta od tych rzeczy, profesora Iwo Białynickiego-Biruli. Z profesorem Białynickim spotykałem się nie raz. Przyjeżdżał do Wrocławia, brał udział w Szkołach Fizyki Teoretycznej w Karpaczu, dyskutowaliśmy gdy odwiedzałem Centrum Fizyki Teoretycznej w Warszawie. Mnie samego te problemy zawsze interesowały, nawet coś o tym pisałem, ale ciągnęło mnie zawsze też w inną stronę, stąd naturę promieniowania elektromagnetycznego znałem tylko powierzchownie. Teraz, pod wpływem dyskusji na blogu na powrót odżyło we mnie zainteresowanie naturą światła, pod wpływem lektury prac Białynickiego-Biruli nowe pomysły przyszły do głowy, a to oznacza pracę, pracę i jeszcze raz pracę, bo od pomysłu do realizacji zwykle droga daleka i usłana cierniami.
 
A o co idzie? Otóż idzie o pytanie „czym jest foton?” Czy czymś podobnym elektronu? „Cząstką”, tyle, że biegnącą z prędkością światła? Cóż mamy mikroskopy optyczne, optycy wiedzą jak rachować soczewki i powiększenia tych soczewek zakładając, że światło to „promienie”. Mamy mikroskopy elektronowe, i soczewki elektrostatyczne gdzie optycy elektronowi też potrafią wyrachować powiększenia i niezbędne kształty soczewek, zakładając, że od źródła do obiektu i z powrotem biegną elektrony. Zatem mamy jakieś podobieństwo pomiędzy elektronami a fotonami. I jedne i drugie oprócz natury korpuskularnej wykazują też naturę falową, mamy np. efekt dyfrakcji raczej trudno wytłumaczalny przy użyciu idei „cząstek”. Dla elektronów, w dziedzinie mikroświata, mamy równanie Schrodingera i równanie Diraca. A dla fotonów? Co mamy dla fotonów? Równania Maxwella? Czy równania Maxwella można uznać zakwantowy opis fotonu? Takie pytania zadają sobie fizycy od lat, piszą na ten temat, poddają różne propozycje, spierają się. Publikacje profesora Białynickiego dotyczące tego tematu (a także inne) można z łatwością znaleźć na jego stronie domowej. Szczególnie polecam te:
 
On the wave function of the photon, Acta Physica Polonica A86, 97 (1994).
The photon wave function, inCoherence and Quantum OpticsVII, Eds. J.H.Eberly, L.Mandel, and E.Wolf, Plenum, New York 1996, p. 313
Photon wave function, inProgress in Optics, Vol. 36, Ed. E. Wolf, Elsevier, Amsterdam 1996, p.245
 
Zainteresowany Czytelnik może też skorzystać z niezłego przeglądu napisanego przez fizyków M. G. Raymera i Briana J. Smitha z Oregon Center for Optics:
 
 
M. G. Raymer, Brian J. Smith
(Submitted on 24 Apr 2006)
 
Abstract: James Clerk Maxwell unknowingly discovered a correct relativistic, quantum theory for the light quantum, forty-three years before Einstein postulated the photon's existence. In this theory, the usual Maxwell field is the quantum wave function for a single photon. When the non-operator Maxwell field of a single photon is second quantized, the standard Dirac theory of quantum optics is obtained. Recently, quantum-state tomography has been applied to experimentally determine photon wave functions.
 
To właśnie z tej publikacji częściowo zaczerpnąłem cytaty z Newtona i z Maxwella na początku niniejszej notki. W tejże pracy zamieszczony jest następujący ciekawy diagram:
 
Równania falowe
 
 
Fig. 1. Schemat przebiegu dochodzenia do równań falowych dla elektronu i fotonu, m = masa spoczynkowa, s = spin, v = prędkość.
 
Krótko wyjaśnię o co idzie. Ze wzoru Einsteina na energię jako funkcję od pędów i od masy spoczynkowej, standardowym podstawieniem znanym od czasów de Broglie'a możemy napisać równania falowe dla cząstek elementarnych. Stosując inną sztuczkę, którą zawdzięczamy Diracowi, możemy też opisać obiekty kwantowe obdarzone spinem. Gdy masa spoczynkowa obiektu jest różna od zera, wtedy w kwantowym równaniu falowym pojawia się stała Plancka. Gdy jednak masa spoczynkowa obiektu jest równa zeru, wtedy stała Plancka wypada z równania. Tak jest dla bezmasowego neutrina. Tak jest dla fotonu. Oto dlaczego w równaniach Maxwella nie występuje stała Plancka a mimo to pole elektromagnetyczna można traktować jako funkcję falową fotonu. No, z jedną mała uwagą: pojawią się liczby zespolone. Ale z liczbami zespolonymi elektrycy nie mają problemów!
 
Metoda i interpretacja Białynickiego-Biruli rozwiązuje też często sygnowane przez fizyków problemy z interpretacją probabilistyczną funkcji falowej fotonu. Fotony bowiem są kiepsko lokalizowalne, nie można dla nich wprowadzić czegoś co jest chlebem powszednim dla młodych adeptów mechaniki kwantowej, mianowicie „operatora położenia”. David Bohm krytykował próby interpretacji równań Maxwella jako równań na funkcję falową fotonu twierdząc iż nie ma tam „równania ciągłości” będącego formą matematyczną prawa zachowania prawdopodobieństwa. Białynicki-Birulea pokazuje, że w w proponowanym przez niego formaliźmie nie ma z tym problemu, pod warunkiem, że będzie nas interesowała gęstość energii a nie położenie. Prąd prawdopodobieństwa wyrażony jest przez formułę z tzw.wektorem Poyntinga. (Eine pisze krótko ExB). Odpowiada to idei, że detektory (także w naszych oczach) czułe są na energię (zatem na częstotliwość) padającego światła a nie na długość fali.
 
Cdn.

Naukowiec, zainteresowany obrzeżami nauki. Katalog SEO Katalog Stron map counter Życie jest religią. Nasze życiowe doświadczenia odzwierciedlają nasze oddziaływania z Bogiem. Ludzie śpiący są ludźmi małej wiary gdy idzie o ich oddziaływania ze wszystkim co stworzone. Niektórzy ludzie sądzą, że świat istnieje dla nich, po to, by go pokonać, zignorować lub zgasić. Dla tych ludzi świat zgaśnie. Staną się dokładnie tym co dali życiu. Staną się jedynie snem w "przeszłości". Ci co baczą uważnie na obiektywną rzeczywistość wokół siebie, staną się rzeczywistością "Przyszłości" Lista wszystkich wpisów  

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie