È nel tuo libro di testo di fisica, vai a guardare. Dice che puoi modellare la luce come un’onda elettromagnetica O puoi modellare la luce come un flusso di fotoni. Non è possibile utilizzare entrambi i modelli allo stesso tempo. È l’uno o l’altro. C’e ‘scritto cosi’, vai a vedere.

Ecco un probabile riassunto dalla maggior parte dei libri di testo.

1. Luce come onda: La luce può essere descritta (modellata) come un’onda elettromagnetica. In questo modello, un campo elettrico mutevole crea un campo magnetico mutevole., Questo campo magnetico mutevole crea quindi un campo elettrico mutevole e BOOM-hai luce. A differenza di molte altre onde (suono, onde d’acqua, onde in uno stadio di calcio), la luce non ha bisogno di un mezzo per “ondeggiare”.

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Oh, questa è una spiegazione troppo semplice? Che ne dici di questo?

Queste sono una forma delle equazioni di Maxwell. Descrivono la relazione tra il campo elettrico e magnetico (beh soprattutto gli ultimi due)., Se ti piace, puoi usare il calcolo vettoriale sulle equazioni di cui sopra e quindi eliminare B per ottenere:

Questa è la forma dell’equazione d’onda. Quindi, le equazioni di Maxwell dicono che la luce è un’onda.

2. Luce come particella: il libro di testo potrebbe iniziare con alcune prove sperimentali dall’effetto fotoelettrico storico per dimostrare che il modello ondulatorio della luce non sempre descrive ciò che accade.

Dirà quindi che possiamo modellare la luce come “cose” individuali (alcuni libri in realtà dicono particelle e altri dicono solo fotoni)., Queste “cose” luminose hanno un’energia che dipende dalla lunghezza d’onda tale che:

Qui h è la costante di Planck e λ è la lunghezza d’onda della luce e f la frequenza. Con il modello di fotone, una luce più luminosa produce solo più fotoni al secondo.

La luce è una particella o un’onda?

La maggior parte dei testi termina con qualcosa del genere:

” La luce è una particella o un’onda? Questa è una domanda difficile-la risposta è che in alcune situazioni la luce si comporta come una particella e in altre si comporta come un’onda.,”

Cosa c’è di sbagliato in più modelli?

Abbiamo sempre più modelli per le cose che vediamo. Tuttavia, sono diversi da questo modello di luce a particelle d’onda. Diamo un’occhiata ad alcuni altri modelli.

Quantità di moto. Quando inizi a guardare lo slancio, è quasi sempre (tranne che nella fantastica materia e interazioni del libro di testo) definito come:

Questo è fantastico. È semplice ed è utile., Va alla grande con il principio della quantità di moto che dice che la forza netta su un oggetto è il tasso di tempo di cambiamento della quantità di moto. Naturalmente, si potrebbe anche dire che è sbagliato. Cosa succede se hai un protone che si muove al 90% della velocità della luce? In tal caso, non è possibile utilizzare questa definizione di quantità di moto con il principio di quantità di moto. Invece, devi usare questo modello:

È bello, giusto? Alcune persone chiamano questo “slancio relativistico”. Tuttavia, mi piace chiamare questo semplicemente slancio., Ma cosa c’entra questo con due modelli per la luce? Beh, e se volessi trovare lo slancio di un protone che va ad appena il 10% della velocità della luce? Quale modello dovrei usare? La risposta dipende da quanto velocemente si desidera calcolare questo e quanto preciso si desidera che la risposta sia. Sì, so che “veloce” è relativo.

Ecco un grafico della quantità di moto di un protone in funzione della velocità per i due modelli.

Si può vedere che a velocità inferiori, i due modelli sono d’accordo., Più veloce è il protone, meno i due modelli sono d’accordo.

Gravità. Tutti conoscono il modello per la forza gravitazionale, giusto? Puoi scriverlo in questo modo:

No. E ‘ sbagliato. Quel modello funziona solo quando vicino alla superficie della Terra. La forza gravitazionale è:

Questo è ancora sbagliato, ma meglio. Tuttavia, spesso non usiamo il modello migliore per la forza gravitazionale vicino alla superficie della Terra. Perché? Perché il modello mg funziona abbastanza bene., Inoltre, i due modelli sono d’accordo sulla superficie della Terra proprio come le due espressioni per il momento protonico concordano per velocità “lente”.

Meccanica quantistica. Ho intenzione di saltare molti dei dettagli molto interessanti, ma lasciatemi dire che posso usare il seguente modello il comportamento di una particella super piccola in una scatola. Ecco un post più vecchio con la maggior parte delle particelle in una scatola dettagli. Datti una calmata.,

O forse vuoi scrivere fuori come questo:

Questa è l’equazione di Schrodinger e Ψ è chiamata funzione d’onda. Non ti dà nulla che potresti misurare direttamente, ma da esso potresti ottenere la densità di probabilità – o una descrizione di dove è probabile che si trovi una particella (o davvero, qualsiasi altra cosa tu possa sapere sulla particella).

Ma aspetta! C’e ‘ dell’altro., Cosa succede se usi l’equazione di Schrodinger per guardare una particella in una scatola unidimensionale? Perche ‘ l’hai fatto? Perché è matematicamente semplice e perché possiamo usarlo per esplorare alcuni dei risultati di un sistema quantistico. Dall’equazione di Schrodinger, scopriresti che la particella può esistere solo a determinate energie discrete. Questo è davvero uno dei punti chiave della meccanica quantistica (è il quant in quantum).

La mia analogia quantistica preferita è una scala. Per una scala si può essere su un passo o il passo successivo, ma davvero non può essere tra i passi., In questo caso, si potrebbe dire che l’altezza è quantizzata. Lo stesso vale per una particella in una scatola o un elettrone in un atomo di idrogeno. Ci sono solo alcuni livelli di energia possibili.

Questo modello di energia quantistica è d’accordo con la meccanica classica? Sì. Se hai guardato una palla da tennis che rimbalza avanti e indietro in una tipica classe, potresti calcolare i livelli di energia quantizzata. Tuttavia, questi livelli di energia sono così vicini l’uno all’altro che in sostanza non sarebbe mai in grado di verificare sperimentalmente che la palla può avere solo determinati livelli di energia.,

Solo per essere chiari: il modello quantistico di roba è proprio come gli altri modelli sopra. Dà lentamente un risultato diverso dal modello classico di roba.

Perché i libri di testo includono il modello fotonico della luce?

Sei stato molto paziente. So che vuoi parlare di fotoni, ma ho dovuto togliere di mezzo la roba del modello. Ma come ho detto, quasi tutti i libri di testo introduttivi di fisica parlano di fotoni che usano l’effetto fotoelettrico come base per questo modello.

C’è una ragione per questo., Albert Einstein vinse il premio Nobel nel 1921 in parte per la sua spiegazione dell’effetto fotoelettrico. Certo, Einstein ha fatto altre cose fantastiche. In particolare, la teoria generale e speciale della relatività. Ma il premio Nobel non ha menzionato questo-solo l’effetto fotoelettrico. Tuttavia, durante il discorso di accettazione di Einstein per il premio Nobel, ha parlato della relatività e non dell’effetto fotoelettrico.,

Ma ecco la parte pazza (lo so, probabilmente pensi che questo intero post sia pazzo): l’effetto fotoelettrico può essere spiegato con un classico modello di onda della luce insieme a un modello quantistico della materia. Davvero, si può., Saltando i dettagli, permettetemi solo di dire (e si può guardare nel tuo meccanica quantistica libro per verificare questo) che se si dispone di una particella con energia E1 e si desidera che la transizione al livello di energia E2 si può fare che con l’aggiunta di una variabile nel tempo potenziali tali che:

Ehi! Che sembra stranamente simile all’equazione per l’energia di un fotone. Si’. Se vuoi, puoi usare la luce con una frequenza di f per indurre la transizione da un livello di energia all’altro., Ancora meglio, non importa se questa transizione è da un livello di energia più alto a più basso o più basso a più alto. Questa perturbazione oscillante può spiegare sia l’assorbimento che l’emissione di luce.

Che cosa circa l’effetto fotoelettrico? Bene, tutti i risultati che vedi sperimentalmente possono essere spiegati se gli elettroni nel metallo possono esistere solo a determinati livelli di energia (modello quantistico della materia) e la luce è un’onda. In realtà, alcuni dei vecchi libri di testo di meccanica quantistica mostrano questo come un problema di esempio.

Ma allora perché il modello fotonico è nei libri di testo?, Direi che è a causa di inerzia educativa. Chi scrive i libri di testo? Se rispondi “persone”, allora hai ragione. Ma dove queste” persone ” imparano la fisica? Se hai detto” libri di testo”, sarebbe una risposta abbastanza bella. Quindi, le persone imparano dai libri di testo che hanno fotoni. Successivamente scrivono un libro di testo, quindi chiaramente avranno fotoni nei loro libri. Semplice.

La luce è quantizzata

Il mio punto principale qui è che il fotone non è quello che pensi che sia. Non è una piccola pallina di luce. Non è luce come una particella. Tuttavia, la luce è ancora piuttosto strana., C’è una natura quantistica ai campi elettrici e magnetici in luce (teoria quantistica della radiazione). Ma la maggior parte delle cose che guardi può essere spiegata usando un modello classico di onda della luce e un modello quantizzato per la materia.

Appello all’autorità: ammetto che a volte le cose si confondono. Nel caso in cui uno dei miei argomenti non abbia alcun senso, aggiungerò alcune opinioni di esperti (ovvero persone che sanno più di me).,

“È giunto il momento di rinunciare all’uso della parola ‘fotone’, e di un cattivo concetto che tra poco avrà un secolo. La radiazione non è costituita da particelle e il classico limite non quantistico di QTR è descritto dalle Equazioni di Maxwell per i campi EM, che non coinvolgono particelle.”

O forse vorresti una citazione da Einstein stesso?

“Tutti questi cinquant’anni di rimuginazione cosciente non mi hanno avvicinato alla risposta alla domanda: ‘quali sono i quanti di luce?, Al giorno d’oggi, ogni Tom, Dick e Harry pensa di saperlo, ma si sbaglia.”

Albert Einstein, lettera a Michael Besso 1954.

TL;DR

Sì, questo è lungo. Ecco i punti principali in modo da non dover leggere tutto.

• La luce è impressionante.
• La maggior parte dei modelli sono sbagliati a un certo livello. Tuttavia, convergono lentamente verso altri modelli più corretti.
• È un po ‘ sciocco descrivere la luce come una particella.,
• In effetti, quasi tutto ciò che vedi in fisica universitaria può essere spiegato con un modello classico di onda della luce insieme a un modello quantistico della materia.
• NON nego che esista una teoria quantistica della radiazione (QTR). Ad esempio, l’anti-raggruppamento dei fotoni non può essere descritto con un’onda EM classica.

Mi chiedo se dovrei mettere il tl;dr all’inizio. Oh bene.

Commenti preventivi

Non lo so perché, ma mi aspetto che alcune persone non siano così felici di questo post., In generale, le persone hanno una delle seguenti due risposte a questo tipo di argomento.

Ora per alcuni dei commenti che potresti avere.

• Stai dicendo che Einstein si sbagliava? Se è così, sei pazzo. In realta’, no. Puoi descrivere l’effetto fotoelettrico con particelle di luce. Non ne hai bisogno. Ok bene – Einstein si sbagliava sull’effetto fotoelettrico. Era ancora un genio e forse il secondo più grande fisico che conosciamo., Newton lo esclude solo perché quando aveva bisogno di nuova matematica per la sua fisica, l’ha inventata. Quando Einstein aveva bisogno di nuova matematica, l’ha imparata dai matematici.
• (Questo è da mio fratello Neil, ha un commento e una domanda) Odi solo i fotoni come Steve Jobs odia i pulsanti. Possiamo ancora parlare di siluri fotonici o hai intenzione di vietare anche quelli? Non odio i fotoni. Odio è una parola forte. Ma sì, puoi ancora usare siluri fotonici – ma per quanto riguarda i “siluri leggeri”? Funzionerebbe?
• Che dire della quantità di moto del fotone?, La maggior parte dei libri di testo introduttivi danno una bella spiegazione di come un’onda elettromagnetica può spingere sulla materia carica elettricamente. Mi piace particolarmente la spiegazione in Materia e interazioni II (Wiley: Chabay e Sherwood). In effetti, ecco la mia precedente spiegazione di come la luce può spingere la coda di una cometa.
• Che dire di qualche altra cosa particolare che si occupa di fotoni? Vi rimanderò a questo bell’articolo di David Norwood. C’. (L’uso e l’abuso di “photon” in Nanomechanics-pdf)

Hat Tip a David Norwood., Davvero, e ‘ colpa sua se stavo pensando a tutto questo problema. Tuttavia, ha offerto alcuni bei suggerimenti per questo post.