este în manual de fizică, du-te uita. Se spune că puteți fie să modelați lumina ca o undă electromagnetică, fie să modelați un flux de fotoni. Nu puteți utiliza ambele modele în același timp. Este unul sau altul. Se spune că, du-te uite.iată un rezumat probabil din majoritatea manualelor.
1. Lumina ca un val: lumina poate fi descrisă (modelată) ca o undă electromagnetică. În acest model, un câmp electric în schimbare creează un câmp magnetic în schimbare., Acest câmp magnetic în schimbare creează apoi un câmp electric în schimbare și BOOM – aveți lumină. Spre deosebire de multe alte valuri (sunet, valuri de apă, valuri într-un stadion de fotbal), lumina nu are nevoie de un mediu pentru a „val” în.
Oh, asta este prea simplu de o explicație? Ce zici de asta?
Acestea sunt o formă a ecuațiilor lui Maxwell. Acestea descriu relația dintre câmpul electric și cel magnetic (mai ales ultimele două)., Dacă vă place, puteți utiliza calculul vectorial în ecuațiile de mai sus și apoi elimina B pentru a obține:
Aceasta este forma de ecuația undelor. Ecuațiile lui Maxwell spun că lumina este o undă.
2. Lumina ca particulă: manualul ar putea începe cu unele dovezi experimentale din efectul fotoelectric istoric pentru a arăta că modelul de undă al luminii nu descrie întotdeauna ce se întâmplă.
atunci se va spune că putem modela lumina ca „lucruri” individuale (unele cărți spun de fapt particule, iar altele spun doar fotoni)., Aceste „lucruri” au energie, care depinde de lungimea de undă, astfel încât:
Aici h este constanta lui Planck și λ este lungimea de undă a luminii și f frecvența. Cu modelul foton, o lumină mai strălucitoare produce doar mai mulți fotoni pe secundă.
este lumina o particulă sau o undă?majoritatea textelor se termină cu ceva de genul:
„lumina este o particulă sau o undă? Aceasta este o întrebare dificilă-răspunsul este că, în unele situații, lumina se comportă ca o particulă, iar în altele se comportă ca un val.,”
Ce e în neregulă cu mai multe modele?
avem întotdeauna mai multe modele pentru lucrurile pe care le vedem. Cu toate acestea, ele sunt diferite de acest model de undă-particule de lumină. Să ne uităm la alte câteva modele.
impuls. Când începi să te uiți la impuls, este aproape întotdeauna (cu excepția minunat manual Contează și Interacțiuni), definită ca:
Acest lucru este mare. Este simplu și util., Merge excelent cu principiul impulsului care spune că forța netă asupra unui obiect este rata de timp a schimbării impulsului. Desigur, ai putea spune, de asemenea, că este greșit. Ce se întâmplă dacă ai un proton care se mișcă cu 90% din viteza luminii? În acest caz, nu puteți utiliza această definiție a impulsului cu principiul impulsului. În schimb, trebuie să utilizați acest model:
Asta e frumos, nu? Unii oameni numesc acest lucru „impuls relativist”. Cu toate acestea, îmi place să numesc acest impuls pur și simplu., Dar ce legătură are asta cu două modele pentru lumină? Ei bine, ce se întâmplă dacă am vrut să găsească impulsul unui proton merge la doar 10% viteza luminii? Ce model aș folosi? Răspunsul depinde de cât de repede doriți să calculați acest lucru și de cât de precis doriți să fie răspunsul dvs. Da, știu că „Rapid” este relativ.
Aici este un teren de impulsul de un proton în funcție de viteză pentru cele două modele.
puteți vedea că la viteze mai mici, cele două modele sunt de acord., Cu cât protonul merge mai repede, cu atât cele două modele sunt de acord.
gravitate. Toată lumea știe modelul pentru forța gravitațională, nu? Puteți scrie astfel:
Nu. Asta e greșit. Acest model funcționează numai atunci când aproape de suprafața Pământului. Forța gravitațională este:
Care este încă greșit, dar mai bine. Cu toate acestea, nu folosim adesea modelul mai bun pentru forța gravitațională de lângă suprafața Pământului. De ce? Deoarece modelul mg funcționează destul de bine., De asemenea, cele două modele sunt de acord cu suprafața Pământului, la fel cum cele două expresii pentru impulsul protonului sunt de acord cu viteze „lente”.
mecanica cuantică. Voi sări peste multe dintre detaliile foarte interesante, dar permiteți-mi să spun doar că pot folosi următorul model comportamentul unei particule super minuscule într-o cutie. Aici este un post mai vechi, cu cea mai mare parte a particulelor într-o cutie de detalii. Fă-ți de cap cu asta.,
Sau poate v-ar dori să-l scrie așa:
Aceasta este ecuația lui Schrödinger și Ψ se numește funcția de undă. Nu vă oferă nimic pe care îl puteți măsura direct, dar din acesta puteți obține densitatea de probabilitate – sau o descriere a locului în care este probabil să se găsească o particulă (sau, de fapt, orice altceva puteți ști despre particulă).
dar așteptați! Mai e ceva., Ce se întâmplă dacă utilizați ecuația lui Schrodinger să se uite la o particulă într-o cutie unidimensională? De ce ai face asta? Pentru că este matematic simplu și pentru că îl putem folosi pentru a explora unele dintre rezultatele unui sistem cuantic. Din ecuația lui Schrodinger, ați descoperi că particula poate exista doar la anumite energii discrete. Acesta este într-adevăr unul dintre punctele cheie ale mecanicii cuantice (este quantul în cuantic).analogia mea cuantică preferată este o scară. Pentru o scara poate fi pe un pas sau pasul următor, dar într-adevăr nu poate fi între pași., În acest caz, ați putea spune că înălțimea este cuantificată. Același lucru este valabil și pentru o particulă dintr-o cutie sau un electron dintr-un atom de hidrogen. Există doar anumite niveluri de energie posibile.
acest model de energie cuantică este de acord cu mecanica clasică? Da. Dacă te uiți la o minge de tenis care sare înainte și înapoi într-o clasă tipică, ai putea calcula nivelurile de energie cuantificate. Cu toate acestea, aceste niveluri de energie sunt atât de apropiate unul de celălalt încât, în esență, nu veți putea niciodată să verificați experimental că mingea poate avea doar anumite niveluri de energie.,
Doar pentru a fi clar: modelul cuantic de lucruri este la fel ca alte modele de mai sus. Acesta oferă încet un rezultat diferit de modelul clasic de lucruri.
De ce manualele includ modelul fotonic al luminii?
ați fost foarte răbdător. Știu că vrei să vorbim despre fotoni, dar a trebuit să iau lucrurile model din drum. Dar cum am spus, aproape fiecare manual introductiv de fizică vorbește despre fotoni care folosesc efectul fotoelectric ca bază pentru acest model.
există un motiv pentru aceasta., Albert Einstein a câștigat Premiul Nobel în 1921 în parte pentru explicarea efectului fotoelectric. Desigur, Einstein a făcut alte lucruri minunate. În special, teoria generală și specială a relativității. Dar Premiul Nobel nu a menționat acest lucru – doar efectul fotoelectric. Cu toate acestea, în timpul discursului de acceptare al lui Einstein pentru Premiul Nobel, el a vorbit despre relativitate și nu despre efectul fotoelectric.,dar aici este partea nebună (știu, probabil credeți că toată această postare este nebună): efectul fotoelectric poate fi explicat cu un model clasic de undă de lumină împreună cu un model cuantic de materie. Într-adevăr, se poate., Sar peste detalii, lasă-mă să spun (și vă puteți uita în mecanica cuantică carte pentru a verifica acest lucru) că, dacă aveți o particulă cu energia E1 și doriți să-trecerea de la nivelul energetic E2 puteți face acest lucru prin adăugarea unui potențial care variază în timp, astfel încât:
Hei! Pare ciudat de similar cu ecuația pentru energia unui foton. Da. Dacă doriți, puteți utiliza lumina cu o frecvență de f pentru a induce trecerea de la un nivel de energie la altul., Chiar mai bine, nu contează dacă această tranziție este de la un nivel de energie mai mare la mai mic sau mai mic la un nivel de energie mai ridicat. Această perturbare oscilantă poate explica atât absorbția, cât și emisia de lumină.
Ce zici de efectul fotoelectric? Ei bine, toate rezultatele pe care le vedeți experimental pot fi explicate dacă electronii din metal pot exista doar la anumite niveluri de energie (modelul cuantic al materiei) și lumina este o undă. De fapt, unele dintre manualele de mecanică cuantică mai vechi arată acest lucru ca o problemă de exemplu.dar atunci de ce este modelul foton în manuale?, Aș spune că este din cauza inerției educaționale. Cine scrie manualele? Dacă răspundeți la „oameni”, atunci aveți dreptate. Dar unde învață acești” oameni ” fizica? Dacă ați spune „manuale”, acesta ar fi un răspuns destul de frumos. Deci, oamenii învață din manualele care au fotoni. Apoi scriu un manual, atât de clar că vor avea fotoni în cărțile lor. Simplu.
lumina este cuantificată
punctul meu principal aici este că fotonul nu este ceea ce credeți că este. Nu este o mică minge mică de lumină. Nu este lumină ca o particulă. Cu toate acestea, lumina este încă destul de ciudată., Există o natură cuantică a câmpurilor electrice și magnetice în lumină (teoria cuantică a radiației). Dar majoritatea lucrurilor la care te uiți pot fi explicate folosind un model clasic de undă de lumină și un model cuantificat pentru materie.
Apelul la Autoritate: recunosc că, uneori, lucrurile devin confuze. În cazul în care vreunul dintre argumentele mele nu are sens, voi adăuga câteva opinii de la experți (adică oameni care știu mai multe decât mine).,
„este timpul să renunțe la utilizarea cuvântului „foton”, și a unui concept rău, care va fi în curând un secol vechi. Radiația nu constă din particule, iar limita clasică, adică non-cuantică a QTR este descrisă de ecuațiile lui Maxwell pentru câmpurile EM, care nu implică particule.”
sau poate doriți un citat de la Einstein însuși?
„toți acești cincizeci de ani de gândire conștientă nu m-au adus mai aproape de răspunsul la întrebarea:” ce sunt cuantele ușoare?, În zilele noastre, fiecare Tom, Dick și Harry crede că o știe, dar se înșeală.Albert Einstein, scrisoare către Michael Besso 1954.
TL;DR
Da, acest lucru este lung. Iată principalele puncte, astfel încât nu trebuie să citiți totul.
- lumina este minunat.
- cele mai multe modele sunt greșite la un anumit nivel. Cu toate acestea, ele converg încet către alte modele mai corecte.
- este un fel de prostie să descrie lumina ca o particulă.,
- de fapt, aproape tot ceea ce vedeți în fizica universitară poate fi explicat cu un model clasic de undă de lumină împreună cu un model cuantic de materie.
- nu neg că există o teorie cuantică a radiației (QTR). De exemplu, fotonul anti-bunching nu poate fi descris cu un val EM clasic.
mă întreb dacă eu ar trebui să pună tl;dr la început. Oh bine.
Comentarii preventive
nu stiu de ce, dar ma astept ca unii oameni sa nu fie atat de multumiti de aceasta postare., În general, oamenii au unul dintre următoarele două răspunsuri la acest tip de argument.
Acum, pentru unele dintre comentariile pe care le-ar putea avea.vrei să spui că Einstein s-a înșelat? Dacă da, ești nebun. De fapt, nu. Puteți descrie efectul fotoelectric cu particule de lumină. Pur și simplu nu trebuie să. OK fine – Einstein a greșit cu privire la efectul fotoelectric. Era încă un geniu și poate al doilea cel mai mare fizician pe care îl cunoaștem., Newton l-a eliminat doar pentru că atunci când avea nevoie de matematică nouă pentru fizică, a inventat-o. Când Einstein avea nevoie de matematică nouă, a învățat-o de la matematicieni.
Palarie Sfat pentru David Norwood., Serios, e vina lui că m-am gândit la toată această problemă. Cu toate acestea, el a oferit câteva sugestii frumoase pentru acest post.