Вообще то, мой друг, у двух щелей всего две проблемы, вокруг которых математики и многие физико-математики водят «хоровод», но здесь мы рассмотрим только тему «Одиночный фотон».
Начнём с того, что обоснования у Томаса Юнга (1773 – 1829) были неопровержимы, за что математики его и недолюбливают, ибо его волновая теория света поставила жирный крест на корпускулярной теории Ньютона, вернув нам волновую теорию Христиана Гюйгенса (1629 – 1695), ключевым элементом которой стал его Принцип, который описывает распространение волнового фронта.
Этот Принцип и его развитие Френелем (1788 – 1827) помогает проектировать сложные оптические системы: микроскопы, телескопы, объективы камер, оптоволокно и многое другое.
Однако математики не успокоились и с появлением квантовой механики вновь начали настойчиво «втюхивать» нам световые корпускулы первого нашего «гения», называемые теперь фотонами.
Но против Природы не попрёшь, поэтому математикам всего лишь удалось настоять на совершенно бездарной «корпускулярно-волновой» теории света, которая постоянно загоняет их и всех нас в тупик. Об этом мы подробно говорили в статье 21 «Природа корпускулярно-волнового дуализма».
Именно с позиции корпускул математики и решили рассматривать прохождение лучом света двух щелей. Сначала всё происходило, как и у Юнга. Однако математики решили добиться, чтобы через две щели проходил только один фотон. Вот, тут и началась проблема с «одиночным фотоном».
Дело в том, что ещё со времён Александра Столетова (1839 – 1896) известно, что луч света характеризуется двумя параметрами:
1. Интенсивностью светового луча – это фактически количество фотонов в единицу времени на единицу площади.
2. Частотой колебаний (f, Гц) или длиной волны (λ, м) – фактически энергия фотона W = h*f, Дж или его импульс p = h/λ, Дж*с/м, где:
h = me*c*rC = 1,0545727*10-34 Дж*с – квант действия (точнее, квант момента импульса – постоянная Планка);
me = 9,1093897*10-31 кг – квант инертности поля (масса электрона);
с = 2,9979246*108 м/с – скорость света;
rC = 3,8615932*10-13 – квант электромагнитного радиуса (радиус Комптона).
Дополнение: Кстати, существует и квант гравитационного радиуса re = 2,8179409*10-15 м, который математики наивно называют классическим радиусом электрона. Именно эта принципиальная ошибка с названием гравитационного радиуса не позволяет математикам и многим физико-математикам осознать очень простое понятие – отношение кванта гравитационного радиуса к кванту электромагнитного радиуса является постоянной тонкой структуры: α = re/rC (число безразмерное). Подробнее об этом мы говорили в статье 15 «Постоянная тонкой структуры».
Причиной этого непонимания является бездарный «всемирный» закон тяготения нашего первого «гения», который запретил даже упоминание гравитации в микромире (потенциальном поле атома). Подробнее об этом мы говорили в статье 29 «Главная проблема Физики».
Однако вернёмся к «одиночному фотону». С энергией и импульсом здесь, как видите, проблем нет, ибо энергия зависит только от частоты колебаний (f), а импульс – от длины волны (λ).
Причём (и это очень важно!), площадь одной волны под синусоидой в координатах ЭНЕРГИЯ – ПЕРИОД или ИМПУЛЬС – ДЛИНА ВОЛНЫ равна постоянной Планка.
Именно поэтому импульс одной волны (одного фотона) равен p = h/λ. Это значит, если меньше длина волны, то больше амплитуда импульса и наоборот, больше длина волны – меньше амплитуда импульса. Именно так математики и видят в волне корпускулу.
Следовательно, минимальное число фотонов между источником А и приёмником Б с двумя щелями, равно числу волн, которые могут расположиться на расстоянии между А и Б (в зависимости от длины волны). Это минимально возможная интенсивность. Повторяю – минимально возможная интенсивность.
И заметьте, здесь мы имеем дело не с одним фотоном (как считают математики), который якобы принимает участие в опыте с двумя щелями при минимально возможной интенсивности света, а с последовательным множеством волн, которые располагаются на расстоянии между А и Б (в зависимости от длины волны, но на отрезке в 1 метр в среднем укладывается примерно 2 миллиона волн или фотонов).
А увеличение интенсивности (скажем в n раз) увеличивает амплитуду импульса в n раз, не изменяя длины волны.
Современная квантовая оптика трактует интенсивность именно как среднее число фотонов в поле. Уравнение p(n) = n⋅h/λ отражает суммарный импульс потока, что верно для когерентного (классического) состояния.
Вот и получается, что как бы мы не изощрялись с интенсивностью луча света, к двум щелям приходит не корпускула, а именно ВОЛНА.
Коллега, но снижение интенсивности луча света до минимума приводит к нарушению интерференции. Значит, с волной в этом случае что-то не так?
Не так, мой друг. И объясняется это «не так» элементарным процессом флуктуации.
Справка: Флуктуация (от лат. fluctuatio — колебание) — это случайное отклонение какой-либо величины от её среднего значения.
В данном случае этой величиной является энергия. Мы уже рассматривали процесс флуктуации в гравитационном поле (статья 9 «Природа броуновского движения»), когда вокруг броуновской частицы в результате флуктуаций энергии хаотически возникают и тут же исчезают потенциальные поля, которые во время кратковременного существования и увлекают частицу к своему центру, ибо давление в центре поля меньше, чем на его периферии.
Не случайно в Физическом энциклопедическом словаре отмечено, что (даю дословно):
«Броуновское движение обусловлено флуктуациями давления».
Однако в Природе существуют два силовых поля: гравитационное и электромагнитное. Подробнее об этом мы говорили статье 19 «Реальные взаимодействия в Природе». Следовательно, аналогичные флуктуации энергии происходят и в электромагнитном поле. Но здесь они называются уже «квантовыми». Причём, эти флуктуации подчиняются пуассоновскому распределению и лестнице Фока, что отражает статистическую природу излучения. Но об этом математики, видимо, забыли.
Увеличение интенсивности в квантовой оптике — это именно «подъём по лестнице Фока»: больше фотонов в состоянии, больше суммарный импульс и энергия, но каждый фотон остаётся с фиксированными параметрами. Каждый шаг вверх — добавление кванта действия, каждый шаг вниз — его поглощение.
Не будем углубляться в суть пуассоновского распределения, ибо это чистая математика, которая вполне сносно описывает здесь реальные процессы. Мы лишь обратим внимание на то, что квантовые флуктуации проявляют себя только при малом числе квантов (фотонов).
Именно в этом случае поле не может быть стабильным, оно «дрожит» и отражает пуассоновское распределение. Детектор регистрирует отдельные «щелчки» – иногда фотон есть, иногда его нет. И в каждый момент времени число фотонов может случайно увеличиваться или уменьшаться.
А при мощной интенсивности, когда n значительно больше 1, относительные флуктуации исчезают, и свет становится «гладким» и устойчивым.
Из данного графика зависимости относительных флуктуаций Δn/⟨n⟩ от среднего числа фотонов ⟨n⟩ видно, что при малом числе фотонов флуктуации велики, а при большом стремятся к нулю – это и есть переход к классическому пределу.
Итак, мы выстроили рассуждение в духе квантово‑полевой интерпретации, где волны — это не просто колебания, но форма распределения энергии, а фотоны (отдельные волны) — кванты действия, заполняющие это поле.
И очень важно то, что данная трактовка идеально ложится в современную квантовую оптику, ибо здесь мы описали переход от дискретного квантового потока к непрерывной классической волне через рост числа квантов.
Именно это восстанавливает физический смысл связи между волной, энергией и действием, чего часто не хватает в стандартных изложениях, где математика отрывается от физики.
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
