198 obserwujących
942 notki
1986k odsłon
4866 odsłon

Wśród tajemnic światła(4). Moment pędu fotonu

Wykop Skomentuj72

          

Przypuszczam ,że czytelnik pamięta z lekcji fizyki w liceum ogól. termin i pojęcie podstawowe w opisie ruchu obrotowego( punktu materialnego.,lub bryły sztywnej) a mianowicie: moment pędu(częste oznaczenie L).

We współczesnej fizyce światła, czyli optyce kwantowej, można natrafić w literaturze popularno-naukowej na termin „spin” cząstki/fotonu kojarzony zwykle-lecz błędnie- z wewnętrznym obrotem, z wirowaniem cząstki/fotonu.

Informacja o tym ,że foton obdarzony jest tak rozumianym „spinem” jest absurdalna dla wielu, jeśli pamiętają, iż foton nie ma masy spoczynkowej ! Jak może wirować coś ,co nie ma masy i mieć jeszcze na dodatek: moment pędu?! Przecież definicja w fizyce klasycznej L jest: L = rxp ( iloczyn wektorowy) lub L= I*omega (dla bryły wirującej) i dosyć łatwo pokazać, że przy m= 0 ,L znika!

Ale czy można do spinu fotonu stosować fizykę klasyczną ?Przecież foton, to produkt kwantyzacji pola ExH.

Termin ipojęcie "spin" nie powinno być kojarzone z wirowaniem rozciągłego, masywnego ciała sztywnego.Taki zmysłowy obraz w odniesieniu do cząstek kwantowych[obdarzonych masą i bezmasowych] jest fałszem.

Tymczasem dodatkowo, w popularyzacji astronomii, pojawiła się terminologia "spin planety", co jest jeszcze większym absurdem,gdyż spin jest pojęciem kwantowym, a dynamiką planet rządzi fizyka klasyczna - nie QM.

 Oczywiście działają już od dawna fanatycy mechaniki kwantowej, którzy całość przyrody w dowolnej skali opisują i wyjaśniają pojęciami i prawami QM, co jest zrozumiałe ,bo tylko takie znają i stosują.

Jak więc mamy rozumieć pojęcie spinu fotonu? Wzorem mechaniki klasycznej, słówko „spin” rozwija się w mechanice kwantowej w długie określenie: spinowy moment pędu[spin angular momentum of light (SAM)].

 Przypomnę, że istnienie fotonu [układu kwantowego]jest zdeterminowane kwantyzacją pola elektromagnetycznego.Foton to zaburzenie pola ExH o skończonej,minimalnej energii,a jego funkcja falowa, to rozwiązanie relatywistycznego równania falowego Schrödingera mechaniki kwantowej w reprezentacji pędowej, spin zaś jest wewnętrzną właściwością cząstki, taką jak na przykład - ładunek elektryczny.

Dzięki mechanice kwantowej odkryto, że fotonowi(cząstkom elementarnym )trzeba przypisać inny rodzaj momentu pędu, który jest związany z obrotem w abstrakcyjnej przestrzeni spinowej((zobacz,operatory spinu , pozycja literatury [ 3] ).

Foton, mając spin nie obraca się, nie wiruje. Spin nie wynika z ruchu obrotowego fotonu, lecz z pewnej własności jego funkcji falowej .

Spin fotonu jest skorelowany z falą elektromagnetyczną spolaryzowaną kołowo lub eliptycznie[rys.1].

image

Rys.1..Źródło rysunku: en.wikipedia.org

 . W fali spolaryzowanej kołowo, lub eliptycznie, wektory E i H wirują w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki światła[kierunku ruchu światła].Spin fotonu może być przedstawiony[z pewnym przybliżeniem] wektorem równoległym, lub anty-równoległym względem wektora pędu fotonu (zob.rys.1.).Wartość spinu fotonu w pierwszym przypadku wynosi + h/2*Pi,a w drugim –h/2*Pi( czyli +h kreślone,lub - h kreślone ),ale zamiast niej, posługujemy się liczbą spinową s ,która dla fotonu przyjmuje wartości +1 lub -1.

Mówi się, że fala elektromagnetyczna ma polaryzację kołową, gdy jej pola elektryczne i magnetyczne obracają się w sposób ciągły wokół osi wiązki podczas propagacji. Polaryzacja kołowa jest lewa ({\ displaystyle L} L) lub prawa ({\ displaystyle R} R) w zależności od kierunku obrotu pola i, zgodnie z zastosowaną konwencją: albo z punktu widzenia źródła, albo odbiornika .Obie konwencje są stosowane w nauce w zależności od kontekstu.Zatem spin fotonu jest zawsze połączony tylko z tymi dwiema polaryzacjami kołowymi.

 Polaryzacja kołowa lewa i prawa i związane z nimi momenty kątowe są przedstawione graficznie w pracy [2] (zobacz rys.22.7 na str.522,oraz rys.22.12na str 533).

Spin fotonów(także innych cząstek elem.),jest rodzajem pędu kątowego. Pęd kątowy, w swej istocie, jest wielkością, podlegającą zasadzie zachowania.Spin fotonów działa jako generator obrotów stopni swobody pola elektromagnetycznego, tzn. wektorowych aspektów polaryzacji pola elektromagnetycznego, i może równie dobrze działać mechanicznie : przenosić moment pędu na cząstki materiału,przez który przechodzi światło..Pomiary pędu, oraz spinowego momentu pędu fotonu odbywają się w aktach absorpcji fotonów przez atomy substancji.

Oprócz spinowego momentu pędu(SAM), foton może posiadać również orbitalny moment pędu ( orbital angular momentum of light- OAM).

Orbitalny moment pędu światła (OAM) jest częścią składową pędu w wiązce światła, która jest zależna od rozkładu przestrzennego pola ExH, a nie od polaryzacji ( Rys.2).

image

Rys.2.Źródło rysunku: en.wikipedia.org

Fizycy często   dzielą OAM na: wewnętrzny i zewnętrzny OAM. Wewnętrzny OAM jest niezależnym od źródła, momentem pędu wiązki światła, który może być powiązany ze spiralnym lub skręconym czołem/frontem fali ExH.. Zewnętrzny OAM jest zależnym od źródła momentem pędu, który można uzyskać jako iloczyn wektorowy położenia wiązki światła (środek wiązki) i jej całkowitego momentu pędu.

image

 rys.3.

„Stożki wektorowe” momentów pędu: całkowitego J (fiolet), orbitalnego L (niebieski) i spinowego S (zielony). Stożki powstają na skutek nieoznaczoności kwantowej składowych tych momentów .Źródło rysunku: en.wikipedia.org

Kwintesencją tego wpisu (4)  jest następujące stwierdzenie:

W klasycznej fizyce, moment pędu wynika z ruchu ciał w przestrzeni, spin zaś jest wewnętrzną właściwością fotonu (lub cząstki elementarnej)taką jak na przykład masa, czy ładunek elektryczny substancji. Foton, mając spin nie obraca się, nie wiruje. Spin nie wynika z ruchu obrotowego fotonu, lecz z pewnej własności jego funkcji falowej .

Powyższe, skutkuje pojawieniem się wielu tajemniczych własności promieni i wiązek światła.Istota optyki kwantowej tkwi właśnie w strukturze i własnościach promieni/wiązek światła.W fizyce przed-laserowej nikomu do głowy nie przychodziło badanie wnętrza promienia świetlnego.

Foton nie wiruje, ale jego trajektoria w wiązkach światła dowodzi , że jednak wiruje.Foton nie wiruje , ale promień światła padając na atom , lub molekułę - wywołuje ich ruch wirowy! Tajemnice i zagadki światła, a dokładniej : w promieniach/wiązkach światła, dla wytrwałych i lubiących spory intelektualne - w dalszym ciągu serialu.

Następny odcinek :  Helikalność i chiralność fotonu     Zapraszam! 

Literatura

[1]R.Penrose,Moda,wiara i fantazja w nowej fizyce wszechświata, Copernicus Center Press,Kraków,2017,str.301-313

[2]R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Prószyński i Ska,Warszawa,2007.str.522-524,533

[3]L.Susskind,Mechanika kwantowa,Prószyńskii Ska, Warszawa, 2016, str.82-99

[4]L.Yang,F.Khosravi,Z.Jacob, Quantum spin operator of the photon,arXiv: 2004.03771

[5]Kragh, Helge „Photon: New light on an old name". arXiv: 1401.0293 [physics.hist-ph].2014

Wykop Skomentuj72
Ciekawi nas Twoje zdanie! Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Salon24 news

Co o tym sądzisz?

Inne tematy w dziale Technologie