Dzisiejsza notka wyszła spontanicznie na skutek pewnego spostrzeżenia. Chodzi mianowicie o energię przenoszoną przez falę elektromagnetyczną i jej opis w fizyce klasycznej i kwantowej (energii, nie fali).
Klasycznie, energia fali e-m w danym punkcie przestrzeni opisywana jest wektorem Poyntinga: 
. Jak donosi wikipedia o równaniach Maxwella, "Teoria ta przewiduje, że energia fali świetlnej zależy wyłącznie od jej natężenia i nie ma związku z jej częstotliwością.". Zgoła inaczej ma się z transferem energii na linii foton - atom, w którym energia fotonu, zastępującego tu klasyczną falę e-m, wynosi: 
, a także, o zgrozo, pęd: 
. I bądź tu wujku mądry. Jak mają sie do siebie te dwa opisy?
No właśnie. Jak daleko posunąć można analogię parametrów fali e-m i fotonów? Patrząc na wzory określające energie i pęd fotonu, od razu rzuca się w oczy brak wzmianek o amplitudzie. Jak to? - zapyta ktoś. Przecież strumień fotonół to inaczej światło. Światło ma amplitudę i częstotliwość. Czyżby foton mial mieć tylko długość fali?
Znany skad inąt bloger Eine, w pewnej burzliwej dyskusji na ten temat, wypowiedział się, i to kilkakrotnie, że "natężenie światła w danym miejscu to kwadrat jego amplitudy", oraz, że (uwaga, będę parafrazował, obym nie przekręcił) "światło przemieszczając sie przez przestrzeń zachowuje się jak fala. Natomiast fotonem jest przy absorbcji lub emisji przez atom.".
Mnie to osobiście sporo wyjaśniło, przy najmniej w kwestii patrzenia na tą sprawę przez autora powyższych wypowiedzi. W istocie bowiem skłaniam się ku staromodnemu poglądowi, że światło to fala, a foton to... proces absorbcji/emisji między tą falą a paczka falową, jaką jest atom. Tym niemniej...
...pewne wątpliwosci wciąż oczywiście istnieją. Wróćmy do kwestii teorii Maxwella - wg niej (i wg Wikipedii), energia fali e-m nie zależy od częstotliwosci. Czy jednak aby na pewno?
Zastanówmy się nad dowolnym materiałem sprężystym (najwygodniej wyobrazić sobie linę). Naciągnijmy go w jednym miejscu. W oczywisty sposób zaaplikujemy mu pewną energią. A teraz naciągnijmy go w drugim miejscu, z taką sama siłą. Energia się zwiększyła. Jeśli będziemy na pewnym skończonym obszarze naciągać go w coraz to nowych miejscach, energia będzie wciąż rosła. Rosnąć będzie najefektywniej, gdy naciągi będą naprzemienne - raz w "górę", raz w "dół"...
Gdy za materiał podstawimy Eter, analogia będzie jasna. Im większy "naciąg" Eteru, tym większa amplituda. Im częstrze są te "naciagi", tym krótsza długość fali i większa energia, jaką można w falę wtłoczyć na skończonej przestrzeni.
Ale, ale, nie tak szybko. Wszak rozważalismy energię na pewnej przestrzeni, podczas gdy klasyczny wektor Poytinga określa energię w punkcie. Taki sam wynik, jak w przypadku "naciągania Eteru" możnaby uzyskać zwyczajnie całkując pola e-m fali e-m na danym obszarze. Dlaczego nie zastosowano dotąd takiego podejścia. A jeżeli zastosowano, czemu o tym nie słyszałem?
Częściowa odpowiedź na to pytanie może się kryć w tym, że foton uważa się (trochę "niepisanie", ale jednak) za cząstkę punktową. Panuje przypuszczenie, że wszystkie cząstki elementarne to "bezwymiarowe punkty", otoczone co najwyzej jakimś tam charakterystycznym dla nich polem. Podejście falowe zmusza do zarzucenia tej koncepcji. Nawet, jeżeli światło przemierza przestrzeń w postani paczek falowych, to są one jak najbardziej wymiarowe. Nie twierdzę, że to jakieś niezmienne w czasie twory, wróciłbym tym samym do naiwnej cząsteczkowości, lecz rzecz w tym, że absorbcja i emisja nie są już zjawiskami "atomowymi", niepodzielnymi, z którymi nie mozna już nic zrobić, poza zamknięciem ich w jakimś kwantowym operatorze na przestrzeni Hilberta. To proces, który trwa przez pewien czas, w czasie którego atom "pobiera" lub "wypluwa" falę e-m o określonej częstotliwości, a robi to tak długo, aż energia będzie się zgadzała z wymogami stabilności układu (cokolwiek to znaczy).
Ponieważ jednak zarówno fizycy z oficjalnego nurtu, jak i ci marginesowi, nie wiedzą do końca, jaką atom ma strukturę, więc i ja nie będę udawał mądrzejszego od nich i w tym miejscu się zatrzymam. W gruncie rzeczy moje wynurzenia to nic trudnego ani zaskakującego, sądzę jednak, że wskazują właściwy kierunek.
Aha, no i pozostaje jeszcze inna sprawa, o której tylko wspomniałem: amplituda. Energia padającego fotonu nie zależy od jego amplitudy, ba - czy foton ma w ogóle cos takiego? Skoro wiemy już, że to, co określa się mianem "fotonu", to fala e-m objawiająca swe niecodzienne właściwosci przy absorbcji/emisji, więc może pominięcie amplitudy bierze się z pominięcia rozciagłości w czasie samego procesu? Wszak przy fali o niemożebnie nawet wielkiej częstotliwosci, ale zerowej amplitudzie, nie można mówić o żadnej energii (nawet po pracowitym scałkowaniu całej dostępnej przestrzeni), a co za tym idzie, o żadnym oddziaływaniu. Gdyby istniała aparatura do generowania fal e-m o nie tylko ściśle określonej długości, ale i amplitudzie, wówczas efekty eksperymentów z jej użyciem mogłyby być bardzo interesujące. Czy atomy potraktowane światłem o ekstremalnie małej amplitudzie potrzebowałyby mierzalnego czasu na absorbcję? Czy potraktowane światłem o częstotliwosci i amplitudzie bardzo dużej, nie zaczęłyby jednak wyrzucac elektronów z większą prędkością, niż ustawa przewiduje? Może i są takie eksperymenty, o których tylko ja w swej ignorancji nic nie wiem, kto wie... Ale jeśli są, to z pewnością się zaraz o tym dowiem w komentarzach... ;-)
Drogi czytelniku. Nie chcę, żeby dochodziło miedzy nami do nieporozumień. Nie publikuję tutaj wiedzy objawionej. Jedyne, co robię, to mieszam w informacyjnym tyglu i wyławiam co ciekawsze moim zdaniem kawałki. Nawet, jeśli wykazuję się przy ich prezentacji dużym zaangażowaniem, to pamiętaj, że jestem w większości dziedzin tylko amatorem. Dlatego, mimo, że celowo nie wprowadzam nikogo w błąd, to pamiętaj, że... ...jesteś ciekaw, czy mam rację, to sam sprawdzaj informacje. Pozdrowionka :-P
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
