Квантовая теория света, Квантовая теория света.
Тогда немецкий физик Макс Планк — высказал мысль о возможности создания удовлетворительной теории при допущении, что нагретые тела не могут испускать или поглощать свет определенной длины волны в произвольно малых количествах, а должны испускать или поглощать лишь определенный квант света, характерный для данной длины волны. Направление усиления и интерференции для круговых волн от двух источников показано на рис. Еще в в ходе экспериментальной проверки теории Максвелла Герц был озадачен явлением фотоэффекта испусканием отрицательных электрических зарядов с поверхности металла под действием света. Вся совр. Глава XVI.
Юнг в Англии и О. Френель во Франции создали детальную волновую теорию света, способную ответить на возражения Ньютона, а также просто и убедительно объяснить почти все известные в то время оптические явления.
Математическая волновая теория Френеля и его последователей лежит в основе современной теоретической оптики, хотя и представляет собой просто теорию волнового движения. Она не нуждается в гипотезах относительно того, в какой среде происходит движение. Однако физика на протяжении всего 19 в.
Но при разработке чисто механической теории распространения волн в эфире возникла трудность: для объяснения поляризации света требовалось, чтобы световые волны были поперечными подобно волнам, бегущим по веревке.
Всякая среда, в которой могут распространяться поперечные колебания, должна обладать определенной жесткостью; это требование не удавалось согласовать со свойствами пустого пространства. Огромные усилия в этом направлении, в том числе использование самых мощных из существовавших тогда методов математического анализа, оказались тщетными.
Всякая объединенная модель эфира, света и атомов, в которой эфир не оказывал бы воздействия на поведение атомов, давала следствия, которые опровергались экспериментом. У истоков другого пути поисков природы света лежало открытие Дж. Максвелла, сделанное в и состоявшее в том, что световые явления связаны с электричеством и магнетизмом. Поначалу эфир рассматривался Максвеллом как сложная механическая система, действие которой проявляется в электрических и магнитных силах, но подчиняется законам механики.
Томсону впоследствии лорду Кельвину : «Я составлял и решал уравнения, даже не подозревая, что скорость распространения магнитных эффектов может быть близка к скорости света, а потому, думаю, у меня есть основания полагать, что магнитная и светоносная среды идентичны». Однако самой большой заслугой Максвелла было, пожалуй, то, что он сразу же понял: механическая модель не очень существенна для сделанных выводов. В его более поздней работе эти выводы представлены в их современном виде как соотношения между электрическими и магнитными величинами, остающиеся верными независимо от механического объяснения.
Герц показал на опыте, что теория Максвелла количественно верна при описании процессов испускания, распространения и поглощения излучения. Эти открытия сделали задачу сторонников эфира еще более сложной, так как теперь им следовало дать объяснение не только явлению света, но и электромагнитным явлениям.
Квантовая теория. Теория относительности Эйнштейна появилась в и в удивительно короткий срок, учитывая ее радикальный характер, завоевала всеобщее признание. Отчасти это произошло потому, что теория относительности, благодаря глубокой связи с экспериментальными фактами, продемонстрировала, что теорию эфира следует отбросить.
Хотя теория Эйнштейна и не давала ответа на фундаментальный вопрос, каким образом распространяется свет, оставляя проблему почти в том же виде, как и во времена Юнга и Френеля, она выбила почву из-под разного рода теорий эфира, доказав, что для данного вопроса нет механистического решения.
Когда теория эфира вступала в свою последнюю фазу, столь же фундаментальное и плодотворное замешательство возникло в другой области физики. Еще в в ходе экспериментальной проверки теории Максвелла Герц был озадачен явлением фотоэффекта испусканием отрицательных электрических зарядов с поверхности металла под действием света. К стало очевидно, что теория Максвелла совершенно неверно предсказывает число и энергию электронов, испускаемых при фотоэффекте.
Опираясь на высказанную ранее Планком идею, Эйнштейн в предложил очень простое объяснение фотоэффекта: свет падает на поверхность металла в виде потока частиц возрождение представлений Ньютона , энергия которых пропорциональна частоте света, и каждая из них выбивает с поверхности один электрон. Существование дискретных порций энергии, названных квантами, а позднее фотонами, было экспериментально подтверждено в последующее десятилетие.
Предложенное Эйнштейном соотношение выполнялось с высокой точностью и нашло свое место в квантовой теории, когда ее впервые применил к строению атома Н. Бор Однако долгое время физический смысл гипотезы Эйнштейна оставался неясным.
Очевидно, что говорить о длине волны как о характеристике механической частицы означало бы смешивать электромагнитные и механические свойства, как это было в 19 в. Очевидно также, что интерференцию света от двух щелей невозможно объяснить каким-либо взаимодействием частиц, поскольку частица должна пройти либо через одну, либо через другую щель, и влиять на ее движение обе щели не могут.
Эти и многие подобные вопросы почти 20 лет тревожили сторонников квантовой теории, вздохнувших с облегчением лишь с появлением в ее современного варианта. Решение было простым, изящным и полностью согласовалось с экспериментом: свет представляет собой волну, но не механическую, пока не происходит обмен энергией с веществом. Данное соотношение является математическим следствием теории, которая предсказывает, что то же самое справедливо для волны любой природы, например звуковой.
В обыденном же опыте дискретность испускания и поглощения энергии не обнаруживается по той причине, что энергия квантов, как правило, мала и лишь поток большого их числа может вызвать зрительное ощущение. Например, нормальный человеческий глаз, полностью адаптированный к темноте, едва воспринимает освещенность, соответствующую попаданию в глаз примерно 60 фотонов в секунду, а обычные уровни освещенности во много тысяч раз больше.
В то же время фотоэффект и комптон-эффект, которые отражают воздействие отдельных фотонов, а также поглощение звука в кристаллах соответствующие кванты называют фононами , хорошо известны в физике твердого тела. В настоящее время состояние теории света можно считать удовлетворительным в том смысле, что не осталось значительного объема необъясненной экспериментальной информации.
Это порождает появление сторонников идеи, что человеческое сознание и вызывает коллапс волновой функции. В мае года Генри Стапп и его коллеги утверждали: эксперимент с двумя щелями и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть незаменим» для осмысления квантовой теории и идеи того, что разум каждого человека лежит в основе материального мира.
Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать — это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции — благодаря сомнительному процессу, называемому измерением.
Это все, что можно сделать. Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля — Бома , которая утверждает, что реальность — это и волна, и частица. А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую.
Поэтому каждый фотон имеет траекторию. Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.
В дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций теория де Бройля — Бома постулирует реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой.
В ней волновая функция определяется для обеих щелей, но каждая частица имеет четко определенную траекторию, которая проходит точно через одну щель. Итоговое положение частицы на детекторном экране и щель, через которую она проходит, определяется начальным положением частицы.
Такое исходное положение непознаваемо или неуправляемо со стороны экспериментатора, так что есть видимость случайности в закономерности детектирования. В году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели.
В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения.
Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля — Бома объясняет поведение квантового мира. Биркбек Лондонский университет — исследовательское и образовательное учреждение с вечерней формой обучения, специализирующееся в предоставлении высшего образования.
Является составной частью Лондонского университета. Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие. Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом.
Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели. Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло.
Поиск критического значения продолжается. У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию — в двух местах одновременно.
По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей. Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза. Если не произойдет что-либо революционное, эти эксперименты покажут, что мы пока не можем претендовать на абсолютное познание природы реальности.
Даже если попытки мотивированы математически или философски. И выводы нейробиологов и философов, не согласных с природой квантовой теории и утверждающих, что коллапс волновых функций имеет место быть, в лучшем случае преждевременны, а в худшем — ошибочны и лишь вводят всех в заблуждение.
Кейсы 20 сентября Человек и квантовая теория: существует ли то, что мы не наблюдаем. Дарья Гернер Контрибьютор. Читайте «Хайтек» в. Человеческое сознание влияет на квантовый мир? Опыт Юнга. Автор: Савенок Д. Сомнительное понятие измерения В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран.
Не существует того, что не наблюдает человек Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Вне зависимости от человека Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели.
Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов. Изображение: thequantumphysics. Квантовый компьютер раскроет загадки генетики.
