Varför kvantiseras fotoner?

När du läser frågan och kommentarstrådarna verkar det som att frågeställaren verkligen ställer mer än en fråga.

Den första behandlingen av "Varför kvantiseras fotoner" skulle kunna betyda "Varför kommer fotoner i diskreta mängder energi, i ett diskret - snarare än kontinuerligt - energispektrum?"

Den andra behandlingen av frågan skulle kunna betecknas 'Varför behandlar vi fotoner som partiklar (dvs. kvantiserat energispektrum och i begränsad utsträckning i rymden) snarare än som vågor (dvs. kontinuerligt energispektrum och med godtycklig utsträckning i rymden)? '' (Föreningen av diskreta energier med partiklar och kontinuerliga energier med vågor är naturligtvis felaktig, var och en kan ha endera.)

Svaret på den första frågan är att när fotoner skapas av system av bunden partiklar, de system som har ett diskret spektrum av specifika energinivåer, t.ex. atomer, så kommer fotonerna också att uppvisa ett diskret spektrum av specifika energier (varje foton kan naturligtvis bara ha en enda specifik energi när den mäts). Detta gäller oavsett om vi tänker på de emitterade fotonerna som partiklar eller vågor. Anledningen (notera citat) att dessa fotoner endast släpps ut med vissa specifika energier är att de underliggande processerna (t.ex. elektronskalövergångar) bara verkar ge en enda foton som innehåller alla energin i samband med övergången snarare än en godtycklig antal fotoner som delar den totala energin mellan sig. Vi vet inte varför detta borde vara fallet; det är helt enkelt att detta är vad vi observerar (även om det finns sällsynta undantag från denna regel - se fotnot [1]). Och vår kvantmekaniska beskrivning utvecklades så att den överensstämde med denna observation (det skulle ha liten poäng i den om den inte vore ...). Och notera att jag sa beskrivning, Inte förklaring; vetenskapen försöker bara beskriva naturen, inte förklara den. Det som kan tyckas vara en förklaring till ett fenomen är egentligen bara en djupare beskrivningsnivå i termer av mer grundläggande fenomen och deras relaterade begrepp.

Fotoner som skapas från processer och interaktioner som involverar obunden - dvs. "fria" - partiklar, såsom bromsstrålning och partikel-partikelspridning, kan ha godtyckliga energier, från a kontinuerlig spektrum av energier, eftersom de fria partiklarna som producerar dem också kan uppvisa ett kontinuerligt energispektrum och inte är tvungna att ändra sina energier med specifika, diskreta mängder under dessa processer.

Dessutom kan fotoner med diskreta energispektra från bundna processer och de med kontinuerliga energispektra från obundna processer båda genomgå förändringar i sin ursprungliga energi (från en observatörs synvinkel, åtminstone) som ett resultat av dopplerförskjutningar, om fotonkällan är i rörelse relativt observatören och gravitationsrödförskjutningar eller bluesförskjutningar, om foton rör sig genom ett varierande gravitationsfält. Båda dessa fenomen kommer att ha effekten av att transponera den ursprungliga energin hos en foton uppåt eller nedåt i energispektrumet, så att även foton som ursprungligen skapades från bundna processer, med klart definierade energier från diskreta spektra, skulle kunna ha nästan vilken energi som helst. , med tanke på rätt omständigheter (t.ex. extrema relativa hastigheter för ljuskällor eller extrema gravitationsfält). Det finns dock ett subtilt förbehåll för denna '' energi alls '', som jag utforskar i slutet av detta svar.

Svaret på den andra frågan 'Varför behandlar vi fotoner som partiklar istället för vågor?', Är helt enkelt att vi inte - inte hela tiden, hur som helst. Det beror på vilka egenskaper hos foton vi är intresserade av att modellera i alla situationer och vad foton egentligen är gör, vilken beskrivning som är mest användbar och lämplig. Men den grundläggande regeln är att fotoner - och alla subatomära 'partiklar' - färdas tycka om vågor och interagera tycka om partiklar. I denna utsträckning finns det ingen "vågpartikel-dualitet" i betydelsen foton eller elektronväsen antingen ett or den andra; det är faktiskt båda samtidigt, och vi väljer helt enkelt vilken aspekt vi är intresserade av. Vissa författare väljer att göra denna chimärliknande egenskap mer tydlig genom att använda termer som "wavicle" istället för "wave and / or particle".

Faktum är att människor helt enkelt inte har de språkliga och konceptuella verktygen för att beskriva de konstiga enheter som vi stöter på i kvantområdet, eftersom vårt språk och koncept utvecklades för att hantera makroskopisk där kvantens konstighet inte är lätt uppenbart för de flesta (men om du kan lite fysik och vet var du ska leta efter det kan du se kvantens konstighet överallt i den makroskopiska världen!). När vi använder ord och begrepp modellerade på makroskopisk verklighet för att beskriva kvantrealitet, kommer de nödvändigtvis att vara något råa, felaktiga och vilseledande. Det är därför vi normalt tillgriper matematiska beskrivningar, eftersom dessa befriar oss från det vanliga språket och dess konceptuella bagage och tillåter mycket större precision i våra modeller.

Den föregående kommentaren belyser också den möjliga konceptuella bias som är implicit i formuleringen i den ursprungliga frågan. Ett svar på frågan "Varför kvantiseras fotoner?" är varför borde inte fotoner kvantiseras? ' Om du tycker att tanken på kvantiserade fotoner är kontraintuitiv, baserat på den intuition du har utvecklat för att förstå makroskopisk världen, då kanske felet inte ligger i vår beskrivning av kvantens verklighet, utan med dig för att du försökte tillämpa din makroskopiska intuition på fenomenologiska områden där det helt enkelt inte gäller. Varför borde inte fotoner beter sig som partiklar? Varför borde inte de uppvisar diskreta energispektra? Vem sa att de alltid borde bete sig som vågor med kontinuerliga energispektra? Dessa är inte plockade gitarrsträngar eller havsvågor vi trots allt tar - de är fotoner. Du måste släppa dina makroskopiska fördomar för att se kvantvärlden som den verkligen är (eller åtminstone, som våra kvantmekaniska modeller för närvarande beskriver det).

Detta leder mig slutligen till det förbehåll som jag nämnde tidigare. Till och med antagandet att ett foton skulle kunna ha en godtycklig energi, från ett kontinuerligt energispektrum, baseras på ett outtalat antagande - nämligen att rymden (och i förlängning rumstid) är jämn, kontinuerlig och oändligt delbar. Ur vårt makroskopiska intuitionsperspektiv verkar detta antagande vara ganska rimligt. Men ur perspektivet från våra ledande teorier inom grundläggande fysik - t.ex. strängteori, slingkvantgravitation - är det troligtvis oförrätter. Dessa teorier föreslår att det minsta möjliga rumsliga avståndet är Planck-längden, som är cirka 100 miljarder gånger mindre än diametern på en atomkärna. Kortare avstånd än detta har helt enkelt ingen fysisk betydelse eller verklighet. Faktum är att LQG föreslår att rymdtiden faktiskt består av 'atomer' av rymdtid på ungefär denna storlek, så den har en diskret, kornig struktur i denna ultramikroskopiska skala, och inte den jämna, kontinuerliga strukturen den visas att ha på makroskopiska skalor. I detta fall kan fotoner inte ha några energier alls, utan bara de energier som motsvarar våglängder som är heltal multiplar av Planck-längden, eftersom det är de enda våglängderna som har någon fysisk betydelse, och det är de enda som faktiskt kan existera.

Jag hoppas att du hittade de olika svaren du kanske har letat efter i några eller alla ovanstående. :o)

[1] Med tanke på mina universitetskurser i kondenserad fysik, minns jag att det faktiskt finns exempel på bundna system som producerar mer än en foton, med den totala energin som delas mellan dem. Dessa är dock inte vanliga atomer utan "exotiska" atomer av positronium, bestående av en elektron och en positron i bana runt varandra. Dessa positroniumatomer är högst instabila, och när de kollapsar (elektronen och positronen spiral in mot varandra och ömsesidigt förintar) kan de producera två eller flera fotoner av gammastrålar (dvs. gammakvanta). Att studera energispektra och polarisering av dessa gamma-kvanta kan avslöja detaljer om strukturen hos materialet där positroniumatomerna var inbäddade.

http://en.wikipedia.org/wiki/Positronium
http://physicsworld.com/cws/article/news/17559

Lämna en kommentar