Волновые и корпускулярные свойства света - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Волновые и корпускулярные свойства света - страница №1/1

ВОЛНОВЫЕ И КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

© Моисеев Б.М., 2004

Костромской государственный университет
Улица 1 Мая, 14, Кострома, 156001, Россия
E-mail: ipmbm@kstu.edu.ru; genphys@ksu.kostroma.net

Логически выводится возможность рассматривать свет как периодическую последовательность возбуждений физического вакуума. Как следствие такого подхода разъясняется физическая природа волновых и корпускулярных свойств света.

A logical conclusion of the possibility to regard light as a period sequence of physical vacuum excitements is given in the article. As a consequence of such approach the physical nature of wave and corpuscular characteristics of light are explained here.

Введение

Многовековые попытки понять физическую природу световых явлений были прерваны в начале XX столетия введением дуальных свойств материи в аксиоматику теории. Свет стали считать и волной, и частицей одновременно. Однако, модель кванта излучения была построена формально, и до сих пор нет однозначного понимания физической природы кванта излучения.

Данная работа посвящена формированию новых теоретических представлений о физической природе света, которые должны объяснить качественно волновые и корпускулярные свойства света. Ранее в [1–6] были опубликованы основные положения развиваемой модели и полученные в рамках этой модели результаты:

1. Фотон – это совокупность элементарных возбуждений вакуума, распространяющихся в пространстве в виде цепочки возбуждений с постоянной относительно вакуума скоростью, не зависящей от скорости источника света. Для наблюдателя скорость фотона зависит от скорости наблюдателя относительно вакуума, моделируемого логически как абсолютное пространство [1,5,6].

2. Элементарное возбуждение вакуума – это пара фотов, диполь, образованный двумя (+) и (–) заряженными частицами. Диполи вращаются и имеют вращательный момент импульса, в совокупности составляя спин фотона. Радиус вращения фотов и угловая скорость связаны зависимостью Rω = const [5,6].

3. Фотоны можно представить как тонкие длинные цилиндрические иглы. Воображаемые поверхности цилиндров-игл образованы спиральными траекториями фотов. Чем больше частота вращения, тем тоньше игла-фотон. Один полный оборот пары фотов определяет в пространстве вдоль направления движения длину волны [5,6].

4. Энергия фотона определяется количеством пар фотов n в одном фотоне: ε = nhЭ, где hЭ – величина, равная постоянной Планка в единицах энергии [1,5,6].

5. Получено количественное значение спина фотона ћ. Проведен анализ связи энергетических и кинематических параметров фотона. В качестве примера вычислены кинематические параметры фотона, получаемого при переходе 3d2p в атоме водорода. Длина фотона видимой части спектра составляет метры [5,6].

6. Вычислена [5,6] масса пары фотов m0 = 1,474·10–53 г, совпадающая по порядку величины с верхней оценкой массы фотона m < 10–51 г [7]. Простые вычисления показывают, что частица с массой m не может быть массой фотона, отождествляемого с квантом энергии излучения. Возможно, пары фотов – это “виртуальные фотоны”, ответственные за электромагнитное взаимодействие в современной теории.

7. Получен вывод об изменении констант C и h при движении фотона в гравитационном поле [4,5,6].

Из периодической структуры фотона интуитивно ясна причина волновых свойств света: математика волны, как процесса механического колебания физической среды, и математика периодического процесса любой качественной природы, – совпадают. В работах [1–6] дано качественное объяснение волновых и корпускулярных свойств света. В данной статье продолжается развитие представлений о физической природе света.

Волновые свойства света

Как было отмечено ранее [1–6], элементы периодичности, связанные с физической природой света, вызывают проявление волновых свойств. Проявление волновых свойств у света установлено многочисленными наблюдениями и экспериментами, и потому не может вызывать сомнений. Разработана математическая волновая теория эффекта Доплера, интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, поглощения и рассеяния света. Волновая теория света органично связана с геометрической оптикой: в пределе, при  → 0, законы оптики можно сформулировать на языке геометрии.

Наша модель не отменяет математический аппарат волновой модели. Основная цель и главный результат нашей работы – внесение таких изменений в аксиоматику теории, которые углубляют понимание физической сущности явления, устраняют парадоксы.

Главный парадокс современных представлений о свете – корпускулярно-волновой дуализм (КВД). В соответствии с законами формальной логики свет не может быть одновременно и волной, и частицей в традиционном понимании этих терминов. Понятие волны предполагает континуум, однородную среду, в которой возникают периодические возмущения элементов континуума. Понятие частицы предполагает изолированность и автономность отдельных элементов. Физическая интерпретация КВД не так проста.

Совмещение корпускулярной и волновой моделей по принципу “волна – это возмущение совокупности частиц” вызывает возражение, т.к. считается твердо установленным наличие волновых свойств у отдельной, единственной частицы света. Интерференцию редко летящих фотонов обнаружил Яноши [8], но количественных результатов, деталей и подробного анализа эксперимента в учебном курсе [8] нет. Информация о столь важных, основополагающих результатах отсутствует и в справочных изданиях [9,10], и в курсе истории физики [11]. Видимо, вопрос о физической природе света – это уже глубокий тыл науки.

Попытаемся реконструировать логически существенные для интерпретации результатов количественные параметры опыта Яноши по скупому описанию аналогичных опытов Бибермана, Сушкина и Фабриканта с электронами [8]. Очевидно, в опыте Яноши сравнивалась интерференционная картина, полученная от короткого светового импульса большой интенсивности JБ с картиной, полученной за длительное время от слабого потока фотонов JМ. Существенное различие двух рассматриваемых ситуаций в том, что в случае потока JМ взаимодействие фотонов в пределах дифракционного прибора должно быть исключено.

Поскольку Яноши не обнаружил различия в интерференционных картинах, посмотрим, какие для этого необходимы условия в рамках нашей модели.

Фотон длиной Lф = 4,5 м [5,6] проходит заданную точку пространства за время τ = Lф / C = 4,5 /3ּ108 ≈ 1,5ּ10–8 с. Если дифракционная система (прибор) имеет размер порядка 1 м, то время прохождения прибора фотоном длины Lф будет больше: τ’ = (Lф + 1) / C ≈ 1,8ּ10–8 с.

Единичные фотоны сторонний наблюдатель увидеть не может. Попытка зафиксировать фотон уничтожает его – другого варианта “увидеть” электрически нейтральную частицу света не существует. В эксперименте используют усредненные по времени свойства света, в частности, интенсивность (энергию в единицу времени). Чтобы фотоны не пересекались в пределах дифракционного прибора, необходимо так разделить их в пространстве вдоль траектории движения, чтобы время прохождения прибора τ’ было меньше времени t, разделяющего приход очередных фотонов к установке, т. е. τ’ < t, или t > 1,8ּ10–8 с.

В опытах с электронами средний промежуток времени между двумя последовательно проходящими через дифракционную систему частицами был примерно в 3ּ104 раз больше времени, затрачиваемого одним электроном на прохождение всего прибора [8]. Для точечных частиц это отношение убедительно.

Опыт со светом имеет существенное отличие от опыта с электронами. Если единственность электронов за счет незначительного искажения их энергии можно контролировать, то с фотонами это невозможно. В опыте с фотонами убежденность в изолированности фотонов в пространстве не может быть полной; статистически возможен приход двух фотонов практически одновременно. Это может дать слабую интерференционную картину за длительное время наблюдения.

Результаты опытов Яноши бесспорны, однако, такое заключение нельзя сделать о теории опыта. В теории фактически постулируется, что интерференционная картина возникает исключительно как результат взаимодействия частиц между собой на поверхности экрана. В случае сильных световых потоков и наличия многих частиц это интуитивно наиболее вероятная причина появления интерференции, но для слабых световых потоков существенной может стать и другая причина появления периодичности в освещении экрана. Свет меняет направление при взаимодействии с твердым телом. Края щели, штрихи дифракционной решетки и прочие препятствия, вызывающие дифракцию – это поверхность, далекая от идеала не только в смысле чистоты обработки поверхности. Атомы поверхностного слоя – это периодическая структура с периодом, сравнимым с размерами атома, т. е. периодичность имеет ангстремный порядок. Расстояние между парами фотов внутри фотона L0 ≈ 10–12 см [5,6], что на 4 порядка меньше. Отражение пар фотов от периодической структуры поверхности должно вызывать на экране повторяемость освещенных и неосвещенных мест.

Неравноправие направлений распространения отраженного света должно быть всегда, при отражении от любой поверхности, но при сильных световых потоках существенны только усредненные характеристики, и этот эффект не проявляется. Для слабых световых потоков это может привести к освещенности экрана, напоминающей интерференцию.

Поскольку размеры электрона также много меньше размеров периодической структуры поверхности тела, для электронов также должно возникать неравноправие направлений дифрагирующих частиц, и для слабых потоков электронов это может быть единственной причиной проявления волновых свойств.

Таким образом, наличие волновых свойств у частиц, будь то фотоны или электроны, может быть объяснено наличием волновых свойств отражающей или преломляющей поверхности дифракционного прибора.

Для возможного экспериментального подтверждения (или опровержения) этой гипотезы можно предсказать некоторые эффекты.



Эффект 1

Для сильных световых потоков основная причина интерференционных свойств света – периодическая структура самого света, – протяженного фотона. Пары фотов от разных фотонов либо усиливают друг друга на экране при совпадении фазы (векторы r между центрами фотов взаимодействующих пар совпадают по направлению), либо ослабляют в случае несовпадения фазы (векторы r между центрами фотов не совпадают по направлению) [5,6]. В последнем случае пары фотов от разных фотонов не вызывают совместного одновременного действия, но они попадают в те места экрана, где наблюдается спад освещенности.

Если экран – прозрачная пластинка, то можно наблюдать следующий эффект: минимуму в отраженном свете соответствует максимум в прошедшем свете. В места, где в отраженном свете наблюдается минимум освещенности, свет также попадает, но он в этих местах не отражается, а проходит внутрь пластинки.

Взаимная дополнительность отраженного и прошедшего сквозь пластинку света в явлении интерференции – известный факт, описываемый в теории хорошо разработанным формально-математическим аппаратом волновой модели света. В частности, при отражении в теории вводится потеря полуволны, и это “объясняет” разницу фаз прошедшей и отраженной компонент.

В нашей модели новым является объяснение физической природы этого явления. Мы утверждаем, что для слабых световых потоков, когда исключено взаимодействие фотонов в пределах дифракционного прибора, существенной причиной формирования интерференционной картины будет не периодическая структура самого света, а периодическая структура поверхности устройства, вызывающего дифракцию. В этом случае уже не будет взаимодействия пар фотов от разных фотонов на поверхности экрана, и интерференция должна проявляться в том, что в тех местах, куда свет попадает, будет максимум освещенности, в других местах его не будет. В места с минимумом освещенности свет не будет попадать совсем, и это можно будет проверить отсутствием взаимной дополнительности интерференционной картины для отраженного и прошедшего света.

Эффект 2

Другая возможность проверки рассматриваемого предсказания и нашей гипотезы в целом заключается в том, что для слабых световых потоков дифракционный прибор из другого материала, отличающегося другой поверхностной плотностью атомов, должен давать другую интерференционную картину для того же светового потока. Это предсказание также принципиально проверяемо.



Эффект 3

Атомы поверхности отражающего тела участвуют в тепловом движении, узлы кристаллической решетки совершают гармонические колебания. Повышение температуры кристалла должно приводить к размыванию интерференционной картины в случае слабых световых потоков, т. к. в этом случае интерференция зависит только от периодической структуры отражающей поверхности. Для сильных световых потоков влияние температуры дифракционного прибора на интерференционную картину должно быть слабее, хотя оно не исключается, т. к. тепловые колебания узлов кристаллической решетки должны нарушать условие когерентности отраженных пар фотов от разных фотонов. Это предсказание также принципиально проверяемо.



Корпускулярные свойства света

В публикациях [1–6] нами предложен термин “структурная модель фотона”. Анализируя сегодня комбинацию слов, заключенных в кавычки, необходимо признать ее крайне неудачной. Дело в том, что в нашей модели фотон как локализованная частица не существует. Квант лучистой энергии, отождествляемый в современной теории с фотоном, в нашей модели – совокупность возбуждений вакуума, названных парами фотов. Возбуждения распределены в пространстве вдоль направления движения. Несмотря на огромную для масштабов микромира протяженность, ввиду малости временного интервала, в течение которого такая совокупность пар пролетает мимо любого микрообъекта или налетает на него, а также ввиду относительной инерционности объектов микромира, кванты могут поглощаться этими микрообъектами целиком. Квант-фотон воспринимается как отдельная частица только в процессе такого взаимодействия с микрообъектами, когда эффект от взаимодействия микрообъекта с каждой парой фотов может накапливаться, например, в виде возбуждения электронной оболочки атома или молекулы. Свет проявляет корпускулярные свойства в процессе такого взаимодействия, когда существенным, модельно осознаваемым, теоретически учитываемым фактором является излучение или поглощение некоторого дискретного количества световой энергии.

Даже формальное представление о квантах энергии позволило Планку объяснить особенности излучения абсолютно черного тела, а Эйнштейну понять суть фотоэффекта. Представление о дискретных порциях энергии помогло по-новому описать такие физические явления, как давление света, отражение света, дисперсию – то, что уже было описано на языке волновой модели. Представление о дискретности энергии, а не представление о точечных частицах-фотонах – вот что реально существенно в современной корпускулярной модели света. Дискретность кванта энергии позволяет объяснить спектры атомов и молекул, но локализация энергии кванта в одной изолированной частице вступает в противоречие с тем экспериментальным фактом, что время излучения и время поглощения кванта энергии атомом достаточно велико по масштабам микромира – порядка 10–8 с. Если квант – локализованная точечная частица, то что тогда происходит с этой частицей за время 10–8 с? Введение в физическую модель света протяженного кванта-фотона дает возможность качественного понимания не только процессов излучения и поглощения, но и корпускулярных свойств излучения в целом.

Количественные параметры фотов

В нашей модели основным объектом рассмотрения является пара фотов. По сравнению с размерами фотона (продольные размеры для видимого света – метры) возбуждение вакуума в виде пары фотов можно считать точечным (продольный размер – порядка 10–14 м) [5,6]. Оценим количественно некоторые параметры фотов. Известно, что при аннигиляции электрона и позитрона рождаются γ-кванты. Пусть рождается два γ-кванта. Оценим верхнюю границу их количественных параметров, предполагая энергию электрона и позитрона равной энергии покоя этих частиц:



. (1)

Количество появившихся пар фотов равно:



. (2)

Суммарный заряд всех (–) фотов равен –e, где e – заряд электрона. Суммарный заряд всех (+) фотов равен +e. Вычислим модуль заряда, переносимого одним фотом:



Кл. (3)

Приближенно, не учитывая динамическое взаимодействие движущихся зарядов, можно считать, что в качестве центростремительной силы вращающейся пары фотов выступает сила их электростатического взаимодействия. Так как линейная скорость вращающихся зарядов равна C [5,6], получаем (в системе СИ):



, (4)

где m0 / 2 = hЭ / C2 – масса одного фота [5,6]. Из (4) получаем выражение для радиуса вращения центров зарядов фотов:



м. (5)

Рассматривая “электрическое” сечение фотона как площадь окружности S радиуса RЭл, получаем:



. (6)

В работе [12] приводится формула для расчета сечения фотона в рамках КЭД:



, (7)

где σ измеряется в см2. Считая ω = 2πν, а ν = n (без учета размерности), получаем оценку сечения по методике КЭД:



. (8)

Различие с нашей оценкой сечения фотона составляет 6 порядков, или примерно 9%. При этом необходимо отметить, что наш результат для сечения фотона ~10–65 см2 получен в качестве верхней оценки, для аннигиляции неподвижных частиц, а реальные электрон и позитрон имеют энергию движения. С учетом кинетической энергии сечение должно быть меньше, т. к. в формуле (1) энергия частиц, переходящая в излучение, будет больше, а, следовательно, будет больше количество пар фотов. Расчетное значение заряда одного фота получится меньше (формула 3), следовательно, RЭл (формула 5) и сечение S (формула 6) будут меньше. Учитывая это, следует признать нашу оценку сечения фотона приближенно совпадающей с оценкой КЭД.

Заметим, что удельный заряд фота совпадает с удельным зарядом электрона (позитрона):

. (9)

Если фот (как и электрон) имеет гипотетический “керн”, в котором сосредоточен его заряд, и “шубу” из возмущенного физического вакуума, то “электрическое” сечение пары фотов не должно совпадать с “механическим” сечением. Пусть центры масс фотов вращаются по окружности радиуса RМех со скоростью C. Поскольку C = ωRМех, получаем:



. (10)

Таким образом, длина окружности, по которой совершают вращательное движение центры масс фотов, равна длине волны, что совершенно естественно при равенстве поступательной и вращательной скоростей в нашей интерпретации понятия “длина волны”. Но в этом случае получается, что для фотонов, получаемых в результате рассмотренной выше аннигиляции, RМех ≈ 3,8∙10–13 м ≈ 1022∙RЭл. Шуба возмущенного вакуума, окружающая керны фотов, имеет гигантские по сравнению с самим керном размеры.

Разумеется, все это достаточно приблизительные оценки. Любая новая модель не может конкурировать по точности с уже существующей моделью, достигшей своего рассвета. Например, когда появилась гелиоцентрическая модель Коперника, еще около 70 лет практические астрономические расчеты выполнялись в соответствии с геоцентрической моделью Птолемея, т. к. это приводило к более точному результату.

Введение в науку моделей на принципиально новом базисе – это не только столкновение с субъективной оппозицией, но и объективная потеря точности расчетов и предсказаний. Возможны и парадоксальные результаты. Полученное отношение порядков ~1022 между электрическим и механическим радиусами вращения фотов – это не только неожиданно, но и пока физически непонятно. Единственная возможность хоть как-то осознать полученное отношение – считать, что вращение пары фотов имеет вихревой характер, т. к. в этом случае при равенстве линейных скоростей разноудаленных от центра вращения компонентов их угловые скорости должны быть разными.

Интуитивно, вихревой характер вращения объемной структуры из тонкой среды – физического вакуума, даже более понятен, чем представление о вращении пары фотов, напоминающем вращение твердого тела. Анализ вихревого движения должен в дальнейшем привести к новому качественному пониманию рассматриваемого процесса.

Результаты и выводы

В работе продолжено развитие представлений о физической природе света. Проанализирована физическая природа корпускулярно-волнового дуализма. Предсказаны принципиально проверяемые эффекты в опытах по интерференции и дифракции слабых световых потоков. Выполнены количественные расчеты механических и электрических параметров фотов. Рассчитано поперечное сечение пары фотов и сделан вывод о вихревой структуре пары.



Литература

1. Моисеев Б.М. Структура фотона. – Деп. в ВИНИТИ 12.02.98, № 445 – В98.

2. Моисеев Б.М. Масса и энергия в структурной модели фотона. – Деп. в ВИНИТИ 01.04.98, № 964 – В98.

3. Моисеев Б.М. О полной энергии и массе тела в состоянии движения. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.98, № 1436 – В98.

4. Моисеев Б.М. Фотон в гравитационном поле. – Деп. в ВИНИТИ 27.10.99, № 3171 – В99.

5. Моисеев Б.М. Моделирование структуры фотона. – Кострома: Изд-во КГУ им. Н.А. Некрасова, 2001.

5. Моисеев Б.М. Микроструктура фотона // Труды Конгресса-2002 “Фундаментальные проблемы естествознания и техники”, часть III, С. 229–251. – СПб, Изд-во СпбГУ, 2003.

7. Phys. Rev. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. В 2-х ч. Ч. 1. Атомная физика. – М.: Наука, 1986.

9. Физический энциклопедический словарь. В 5 т. – М.: Советская энциклопедия, 1960–66.

10. Физика. Большой энциклопедический словарь. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

11. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1974.



12. Ахиезер А.И. Квантовая электродинамика / А.И. Ахиезер, В.В. Берестецкий – М.: Наука, 1981.