Фотон или фонон, И фонон, и фотон, и гравитон, 5 (пять) букв - Кроссворды и сканворды
Dagenais, L. Атомная и ядерная физика. Москву уличили в усилении экстремальных конвективных явлений. Частицы с одинаковым зарядом притянулись друг к другу. С другой стороны, понятие вероятностной волновой функции , которая явным образом входит в уравнение Шрёдингера, не может быть применено по отношению к фотону [75] Фотон — безмассовая частица , поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения.
В заключении авторы отмечают, что их работа подтверждает теоретические расчеты, которые предсказывали, что состояния ансамбля фононов, отличающиеся от равновесных на одну квазичастицу, могут быть неклассическими при любых температурах. Они надеются, что последующие исследования смогут превратить продемонстрированные состояния в полезный квантовый ресурс. В качестве примера физики приводят создание механических состояний, описываемых как состояние кота Шрёдингера. Ученые регулярно создают такие системы, состоянием которых можно управлять с помощью всего лишь одного фотона.
Недавно мы писали про то, как два атома возбудили одним фотоном и как однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре. Куда и почему меняется значение слова «кристалл». Часто так бывает, что одни и те же слова имеют разное значение — как для специалистов, так и обывателей. Например, «качественно» для ученых — не так уж и хорошо, по-настоящему качественное исследование должно приходить не к качественным квалитативным выводам, а количественным квантитативным.
Но это уже вполне устоявшаяся языковая конвенция. Есть термины, техническое значение которых прямо сейчас удаляется от привычного.
Поговорим о кристаллах. Наша планета выступила как аналог землеподобных экзопланет. Москву уличили в усилении экстремальных конвективных явлений. Из-за городской застройки в столице чаще проходят ливни и сильные ветра. Палеонтологи отобрали у древнего кита из Перу титул самого тяжелого животного в истории. Согласно новым оценкам, он весил на тонн меньше. Российские палеогенетики прочитали ДНК человека из слоя верхневолжской культуры. Останки этого мужчины позднего мезолита нашли в Ярославской области.
Частицы с одинаковым зарядом притянулись друг к другу. Нарушение закона Кулона возможно в некоторых растворах. Паразитирующий на грибах «барсучий подсвечник» отнесли к первому за 90 лет новому роду растений из Японии.
Это необычное растение принадлежит к семейству тисмиевых. В захвате Австралии кроликами обвинили английского фермера XIX века. Физики уточнили странность протона. Странный кварк вносит вклад в массу протона со значимостью более трех стандартных отклонений. Омикрон оказался самым устойчивым во внешней среде вариантом коронавируса. Жителям тропических стран предложили массово разводить питонов на мясо. Они оказались более эффективным источником белка, чем насекомые. Квадрокоптер научили подзаряжаться от ЛЭП.
Дрон ухватывает провод и повисает на нем. Черная смола из гробницы царского казначея Рамсеса II оказалась битумом. Ученые определили это с помощью спектрального анализа. Как работа с тяжелым прошлым помогает движению к будущему.
В генофонде индийских популяций насчитали два процента архаичной примеси. Ученые проанализировали генома современных жителей Индии. Стокилограммовую нелетающую птицу назначили верховным хищником эоценовой Антарктиды. Она принадлежала к семейству фороракосов. В ямальских отложениях возрастом в несколько сотен лет нашли ДНК мамонта и носорога.
Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки [] []. Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму; например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары [] []. Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера []. Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц , описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения.
Вторичное квантование осуществляется введением операторов , увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии чисел заполнения на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями , вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором [].
В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние , тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:. Уравнения Максвелла, описывающие свободное электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования локальной калибровочной инвариантности поля относительно преобразования фазы как функции пространственно-временных координат [] [].
Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную , как в случае с действием или лагранжианом. Квант такого калибровочного поля должен быть безмассовым незаряженным бозоном, пока симметрия не нарушится.
Поэтому фотон который как раз и является квантом электромагнитного поля рассматривается в современной физике как безмассовая незаряженная частица с целым спином.
Виртуальные фотоны , введённые в рамках квантовой электродинамики, могут также находиться в нефизических поляризационных состояниях []. В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов , осуществляющих электрослабое взаимодействие. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения. Выход из этого затруднения был предложен Питером Хиггсом , теоретически описавшим явление спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения []. Объединение фотона с калибровочными W - и Z -бозонами в электрослабом взаимодействии осуществили Шелдон Ли Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг , за что были удостоены Нобелевской премии по физике в году [] [] [].
Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия так называемое « великое объединение ». Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона , до сих пор не были обнаружены экспериментально []. Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину [].
В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости , которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона , стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы.
Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов, как аномальный дипольный момент лептонов [] и сверхтонкая структура лептонных дуплетов например, у мюония и позитрония []. Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности.
И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени см.
Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение см. Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом []. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра , излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца [].
Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества обратите внимание, что пример выше с временем движения фотонов от солнечного ядра к поверхности никакого отношения к коэффициенту преломления и собственной скорости фотонов не имеет.
С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания.
Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её []. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе квазичастицами , подобными фононам и экситонам с образованием поляритона.
Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна []. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.
В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией.
При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой так называемый « медленный свет ». Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты и её прозрачностью для излучения.
Фотоны также могут быть поглощены ядрами , атомами или молекулами , спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином , в состав которого входит ретиналь , производное ретинола витамина A , ответственного за зрение человека , как было установлено в году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками [].
Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса []. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора ; такие процессы являются объектом изучения фотохимии [] [].
Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже для иллюстрации приведены лишь некоторые из них. Важным техническим устройством, использующим фотоны, является лазер.
Его работа основана на явлении вынужденного излучения , рассмотренного выше. Лазеры применяются во многих областях технологии. С помощью обладающих высокой средней мощностью газовых лазеров осуществляются такие технологические процессы, как резка, сварка и плавление металлов.
В металлургии они позволяют получить сверхчистые металлы. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов , гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой например, лазер на красителях значительно улучшили разрешающую способность и чувствительность спектроскопических методов , позволив достичь наблюдения спектров отдельных атомов и ионов [].
Лазеры широко используются в быту лазерные принтеры , DVD , лазерные указки и др. Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты , в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей. По применяемым методам различают несколько типов спектрального анализа [] :.
В качественном спектральном анализе определяется только состав пробы без указания на количественное соотношение компонентов. Последняя проблема решается в количественном спектральном анализе, на основании того, что интенсивность линий в спектре зависит от содержания соответствующего вещества в исследуемой пробе []. Таким образом по спектру вещества может быть определён его химический состав. Спектральный анализ — чувствительный метод, он широко применяется в аналитической химии , астрофизике , металлургии , машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.
Работа многих аппаратных генераторов случайных чисел основана на определении местоположения одиночных фотонов. Упрощённый принцип действия одного из них сводится к следующему. Для того, чтобы сгенерировать каждый бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель. Для любого фотона существует лишь две равновероятные возможности: пройти лучеделитель или отразиться от его грани.
В зависимости от того, прошёл фотон через лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается «0» или «1» [] []. Фотоны имеют импульс , а потому при истекании из ракетного двигателя создают реактивную тягу. В связи с этим их предполагается применять в фотонных ракетных двигателях, при работе которых скорость истечения фотонов будет равна скорости света , соответственно и космические корабли с такими двигателями смогут разгоняться почти до скорости света и летать к далёким звёздам.
Однако создание таких космических кораблей и двигателей — дело далёкого будущего, поскольку в настоящее время целый ряд проблем не может быть решён даже в теории. В настоящее время считается, что свойства фотонов хорошо поняты с точки зрения теории.
Стандартная модель рассматривает фотоны как калибровочные бозоны со спином, равным 1, с нулевой массой [] и нулевым электрическим зарядом последнее следует, в частности, из локальной унитарной симметрии U 1 и из опытов по электромагнитному взаимодействию. Однако физики продолжают искать несоответствия между экспериментом и положениями Стандартной модели. Постоянно повышается точность проводимых экспериментов по определению массы и заряда фотонов.
Обнаружение хоть сколько-нибудь малой величины заряда или массы у фотонов нанесло бы серьёзный удар по Стандартной модели.
Все эксперименты, проведённые до сих пор, показывают, что у фотонов нет ни электрического заряда [6] [7] [] , ни массы [] [] [] [] [] [] [] [] [] [] []. Многие современные исследования посвящены применению фотонов в области квантовой оптики. Фотоны кажутся подходящими частицами для создания на их основе сверхпроизводительных квантовых компьютеров.
.gif)
Изучение квантовой запутанности и связанной с ней квантовой телепортации также является приоритетным направлением современных исследований [].
Кроме этого, идёт изучение нелинейных оптических процессов и систем , в частности, явления двухфотонного поглощения, синфазной модуляции и оптических параметрических осцилляторов. Однако подобные явления и системы преимущественно не требуют использования в них именно фотонов. Они часто могут быть смоделированы путём рассмотрения атомов в качестве нелинейных осцилляторов. Нелинейный оптический процесс спонтанного параметрического рассеяния часто используется для создания перепутанных состояний фотонов [].
Наконец, фотоны используются в оптической коммуникации, в том числе в квантовой криптографии []. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.
Это стабильная версия , отпатрулированная 24 декабря У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон значения. Основная статья: Свет. Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм и Принцип неопределённости.
Основной источник: [87]. Основные статьи: Вынужденное излучение и Лазер. Основные статьи: Квантовая теория поля и Вторичное квантование. Основные статьи: Групповая скорость и Фотохимия. Основные статьи: Применение лазеров и Спектральный анализ. Основная статья: Фотонный двигатель. Основная статья: Квантовая оптика. Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources англ.
Строкова] — М. Реликтовое излучение, с. Алексеев, А. Бонч-Бруевич , А. Боровик и др. Английский перевод доступен в Викитеке. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie нем.
Zur Quantentheorie der Strahlung нем. Также Physikalische Zeitschrift , 18 , — Часть 5. Дата обращения: 8 апреля Архивировано 11 августа года. Принцип квантового компьютера неопр. Архивировано из оригинала 19 октября года. Льюис, Гильберт Ньютон неопр. Дата обращения: 13 марта The conservation of photons англ.
The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham англ. Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon… англ. Архивировано 2 декабря года. Opticks англ. A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field англ. Эта статья была опубликована после доклада Максвелла Королевскому обществу 8 декабря года. Wilhelm Wien Nobel Lecture неопр. Дата обращения: 16 сентября The Nobel Foundation 10 декабря Архивировано 11 марта года.
Архивировано 31 мая года. Введение в физику. Опубликовано 23 мая года. Архивировано из оригинала 11 августа года. The Quantum Theory of Radiation англ. Курс истории физики. Архивировано 22 июня года. Архивированная копия неопр. Архивировано из оригинала 22 июня года. Heisenberg Nobel lecture неопр. Дата обращения: 11 марта Фотонный газ и его свойства неопр. Дата обращения: 15 марта The case for and against semiclassical radiation theory англ. В году первый подобный эксперимент был проведён Клаузером, результаты эксперимента выявили нарушение неравенства Коши — Буняковского.
В году Кимбл продемонстрировал подобный эффект для одинаково поляризованных фотонов, проходящих через анализатор. Некоторые из этих фотонов проходили сквозь анализатор, другие отражались, причём абсолютно случайным образом Паргаманик Л.
Этот подход был упрощён Торном в году. Курс общей физики. Ядерная физика. Введение в физику высоких энергий. Взаимодействие фотонов с адронами. Архивировано 12 июня года. Закон сохранения импульса требует излучения, как минимум, двух фотонов с нулевым общим импульсом.
Энергия фотонов, а, следовательно, и их частота , определяется законом сохранения энергии. Относительности теория специальная неопр. Архивировано из оригинала 15 марта года. Atomic Physics англ. Принципы квантовой электродинамики.
Interference fringes with feeble light англ. Колебания и волны. Атомная и ядерная физика. Quantum Mechanics. Quantum Mechanics англ.
Quantum Theory англ. Localized states for elementary particles англ. On the wave function of the photon англ.
Photon wave functions англ. Photon wave function англ.
Quantum Optics англ. Архивировано 8 марта года. Статистическая физика и термодинамика. Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese нем. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases нем. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases, Zweite Abhandlung нем.
Фейнман, Р. Лейтон, М. Section 1. Lasers: Principles and Applications англ. Clauser J. Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect англ.
Kimble H. Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence англ. Берестецкий В. Квантовая электродинамика. Ахиезер А. Grangier P. Thorn J. Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory англ. Pais A. Интересная история о становлении теории фотона. Нобелевская лекция Рея Глаубера « лет кванту света» неопр. Архивировано 21 августа года. Ещё одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.
