История споров о фотонах.

 

Что такое фотоны те, кто считает себя физиками до сих пор не договорились… Именно спор о фотонах разделил учёных на два лагеря «остроконечников» и «тупоконечников».

Теоретики в разное время объявляли фотоны то частицами, то «волновыми процессами», чтобы не определять точно придумали, что фотоны — «безмассовые векторные бозоны, представляющие собой элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля». Понятие бозон относится к частицам подчиняющимся статистике Бозе — Эйнштейна, а возбуждения электромагнитного поля — описывают как бы некий волновой процесс.

Теоретики современной науки в представлениях о свойствах фотонов базируются на идеях, которые восходят к работам ученых XVII века. Тогда Гук и Гюйгенс изучая интерференцию и дифракцию света, и видя в этих явлениях аналогии с волновыми процессами в материальных телах, заявили о волновой природе света. Идея «светоносного эфира» в котором могли распространяться волны была выдвинута их современником Рене Декартом.
Ньютон в это же время заявил, что фотоны, это частицы света. Точка зрения Ньютона в то время была принята большнством учёных.
Корпускулярная теория света преобладала до начала XIX века, но после работ врача по профессии, Томаса Юнга (1773-1829), обратившегося вновь к объяснениям интерференции и дифракции, физики стали возвращаться к волновым теориям. С этого времени началось измышление множества вариантов эфира, каждый новый эфирист предлагал свою концепцию этой чудной среды для распространения «световых волн».
В 1865 году Дж. Максвелл, перенеся формулы, отражающие волновые процессы в материальных телах в «эфир», оформил математически теорию «электромагнитного поля». В 1873 году он изложил её в «Трактате об электричестве и магнетизме». Максвелл базировался на идеях и экспериментах Майкла Фарадея, важнейшими из которых были открытое в 1848 Фарадеем явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Faraday_effect.svg/220px-Faraday_effect.svg.png.
Эффект Фарадея проявляется тем, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света.
Фарадей написавший, что он «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию» придавал этому открытию большое значение. Максвелл взял это в основу своей концепции электромагнитного взаимодействия. Он сообщал: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде». Максвелл писал, что он лишь придал идеям Фарадея математическую форму.
Максвелл полагал, что свет это частный случай электромагнитных волн. «Эфир Максвелла» это пространство, заполненное потоками жидкости особого рода. Она несжимаема, безынерционна и течет в сопротивляющейся среде, так что сопротивление среды ее течению пропорционально скорости движения жидкости.
«Субстанции, о которой здесь идет речь,- писал он,- не должно приписывать ни одного свойства действительных жидкостей, кроме способности к движению и сопротивлению сжатию. На эту субстанцию не следует смотреть так же как на гипотетическую жидкость в смысле, который допускался старыми теориями для объяснения явления».
По Максвеллу все пространство, заполненное его жидкостью, можно разбить на трубки тока и при этом выбрать такие, что через сечение каждой из них в любом месте за единицу времени будет протекать единица объема жидкости. Эти трубки можно назвать единичными трубками. Далее так как течение происходит в сопротивляющейся среде, то не могут существовать замкнутые трубки тока, и, следовательно, каждая из них должна иметь начало (источник) и конец (сток). Такая модель электрического поля наглядно представляет идею Фарадея о силовых линиях.

В 1886-1888 Герц осуществил свои эксперименты, доказавшие реальность радиоволн.
В радиоволнах Герца и физики-экспериментаторы и физики-теоретики увидили «электромагнитные волны» распространяющиеся в «электромагнитном поле» Максвелла.
Но, именно в это время, в начале XX века, Майкельсон и Морли в поисках среды, в которой движутся «электромагнитные волны» попытались суммировать движение сигнала, несомого светом, с движением регистрирующего этот сигнал источника… И получили ответ, что среды подобной той, что предполагал Максвелл для найденных Герцем радиоволн как и для и света нет…
Лоренц попытался объяснить результаты опытов Майкельсона и Морли с помощью математического преобразования формулы Максвелла. Преобразованиями этими он хотел показать, что среда всё же есть, но размеры движущихся объектов, сокращаются в направлении их движения, а поэтому в этих опытах как бы не заметно его действие… Но формулы Лоренца никак не доказав наличие среды для «электромагнитных волн», стали основой специальной теории относительности Эйнштейна, опубликованной в 1905 году.
После работ Майкельсона, Морли, Эйнштейна, физики-теоретики мейнстрима просто завуалировали «эфир» под названием «физический вакуум» и «искривлённое пространство». «Физический вакуум» был определен теоретиками как низшее энергетическое состояние материи, имеющее нулевые колебания квантованных полей, и, при отсутствии реальных частиц несущее их в «виртуальной» форме. Согласно измышлениям теоретиков от физики свойства физического вакуума могут определять все свойства всех остальных состояний материи, включая самые «безумные», абсолютно высосанные из пальца, и все они у теоретиков легко «возникают» из вакуума. Идея «физического вакуума» санкционировала полный произвол в теоретической физике, допускающий всё, от «выпахивания» частицами вещества их него «Бозонов Хиггса» и возможности сотворения «вселенных», например, в коллайдерах, до выводов о том что: «Вселенная как система не только самоорганизована, но жива, и даже разумна вследствие наличия в ней активного элемента (вакуума), способного функционировать в режиме, свойственном Разуму».

С того времени шло как бы «изучение» «электрических и магнитных полей» не являющихся средой материальной, а, якобы, представляющих собой среду виртуальную, появляющуюся, когда теоретикам надо и исчезающую при попытке её зафиксировать экспериментально, и «электромагнитных волн», движущихся в этой виртуальной среде, а фактически шло измышление разных формул об этом. График, дающий представление эфиристов о форме «электромагнитных волн», фигурирующий везде показывает то параллельное нарастание «электрического» и «магнитного» полей, то обнуление их обоих! То есть, эфиристы представляют, что эти «поля», представляющие собой неизвестно что, существуют отдельно от частиц, появляются одновременно ни из чего, потом почему-то нарастают, а потом убывают, превращаясь ни во что…
http://physics.nad.ru/Physics/EM-wave.gif

Если даже представить модель такой фантастической среды, как «электромагнитное поле», в котором через каждый его пиксель одновременно в разных направлениях движутся миллионы квантированных «электромагнитных волн», то никакими математическими ухищрениями невозможно отделить «электромагнитные колебания» любого кванта от таких же «электромагнитных колебаний», но принадлежащей другому кванту.
Интерференция и дифракция «электромагнитных волн» как бы должна указывать на их явное «суммирование», если рассматривать темные места интерференционной картины как их взаимное обнуление, а светлые места как сложение с увеличением амплитуды… Но обнуления нет! После интерференции реальные фотоны движутся независимо и остаются фотонами…

 

Наблюдения, и эксперименты, указывающие на то, что свет это не «волны в каком-то электромагнитном поле», а частицы материи — фотоны, существовали параллельно волновым теориям света, но теоретики каждое новое такое наблюдение или эксперимент умудрялись истолковать так, что ясного понимания явления не возникало.
То, что фотоны  не «электромагнитные волны» расходящиеся сферически или в каком-то секторе показывал опыт Ш. Боте. В ответ физики-теоретики выдвинули идею «электромагнитных волн» в виде неких пакетов волн «электромагнитного поля» распространяющиеся по прямой линии…
В 1887 году Герцем был открыт фотоэффект.
В 1902 году Ленард обнаружил, что скорость испускаемых электронов зависит не от интенсивности падающего света, а от его частоты. Это никак не объяснялось волновой теорией света.
Спектр излучения нагретого тела при оценке его энергии по имеющимся у волновиков формулам Рэлея-Джинса и Вина, так же приводил к абсурдным результатам о бесконечности энергии, излучаемой этим телом.
Макс Планк, при оценке энергии излучения нагретого тела понял, что причина абсурда в том, что волновые теории излучения исходят из возможности существования излучений любой частоты, и предположил, что излучение происходит порциями, квантами. Планк нашел и коэффициент, постоянную Планка, ступень, отделяющую фотоны разной энергии друг от друга или квант действия, 6.63 на 10 в 27 эрг/сек. Умножение этой постоянной на частоту давало энергию кванта соответствующей частоты.

Эйнштейн, вернувшись к идее Ньютона о том, что излучения энергии связаны с движением частиц, и приняв квантовую теорию излучения Планка, объяснил и фотоэлектрический эффект, и процессы поглощения фотонов, и движение их в Пространстве. «Мы должны предположить, — говорил Эйнштейн, — что однородный свет состоит из световых квантов (Lichtquanten), несущихся в пустом пространстве со скоростью света».
За работы по фотоэффекту в 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Корпускулярные свойства фотонов были продемонстрированы в опытах и выявлены в наблюдениях. Это известные опыты: Милликена, Комптона, Чандрасекара, Раманатана.

— Опыт Милликена с металлическими пылинками показывал, что вырывание электронов происходит сразу с момента начала облучения пыли рентгеновскими лучами, для волн теория требовала задержки по времени.

— Опыты Комптона в 1922 году показали, деление фотонов.
Комптон в 1923 году световым квантам дал название фотонов.

— Эффект Рамана так же показал, что как есть процессы деления фотонов, так и есть процессы суммирования фотонов, когда из малоэнергичных фотонов получаются высокоэнергичные фотоны.
Это эффект был выявлен советскими учёными Ландсбергом, Мандельштамом и Фабелинским, назвавшими его «комбинационным рассеянием света». В лаборатории индийского физика Чандрасекара Рамана этот эффект на неделю позже, но был назван по его имени.

При взаимодействии монохромного луча лазера с веществом отформатированным в виде голографического снимка проявляются эффект Комптона и эффект Рамана. При этом монохромные фотоны данного луча голографическим снимком превращаются в широкий спектр фотонов и создают голографическое изображение.

Принято считать, что после открытия эффекта Комптона и эффекта Рамана фотоны как частицы были окончательно признаны.

Но это не так.

Представление о частицах света физики в течение всего XX века так и не смогли согласовать с явлениями дисперсии, интерференции и дифракции света.
Многие физики не приняли идею фотонов, вообще. Эфиристы категорически отвергли все релятивистские теории Эйнштейна. Релятивисты более скрыто отвергли теорию фотонов как частиц, приписав им «волновую функцию» и приняли все формулы эфиристов.

Борьба сторонников того, что фотоны частицы и того, что фотоны волны продолжалась.

В 1986 г. французские физики Гранжье, Роже и Аспэ провели очередной эксперимент, имеющий целью дать прямой ответ на вопрос, — состоит свет из волновых цугов или из частиц-фотонов?
Идея эксперимента состояла в том, что излучение попадало на «расщепитель луча»: полупрозрачное зеркало BS, которое делило его на две равные части, каждая их которых регистрировалась своим детектором (ФЭУ). Если свет состоит из частиц — фотонов, то такая частица может либо пройти через зеркало, либо отразиться от него, так что фотон не может попасть на оба ФЭУ сразу.  Если же свет состоит из волновых цугов, то каждый цуг разделится зеркалом на две равные части, которые попадут  на оба детектора одновременно.
В случае справедливости фотонной гипотезы совпадений быть не должно, в случае волн в поле излучения — совпадения должны быть весьма частыми.
Наблюдавшаяся в эксперименте совпадения были чрезвычайно редкими и целиком могли быть отнесены к случайным наложениям запускающих импульсов. Тем самым было еще раз доказано, что свет представляет собой поток локализованных частиц — фотонов, которые делиться не могут.

Эти эксперименты заодно как бы резюмировали многолетний спор физиков-теоретиков о природе спина частиц материи.
Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, может быть правым или левым.
В 1924 году Паули выдвинул идею о наличии у электрона «двузначной квантовой степени свободы». Тогда Ральф Крониг предположил, что это может быть собственное вращение электрона. Паули, узнав об идее Кронига, заявил, что поверхность электрона должна вращаться со скоростью, намного большей скорости света. Крониг с этим согласился и отказался от своей идеи.
В 1925 году Гаудсмит и Уленбек из Лейденского университета в Голландии так же пришли к понятию спина электрона, как вращающегося шарика. Они описали это формулой.
Лоренц, по классическим понятиям сделал расчеты для вращающегося электрона Гаудсмита и Уленбека, и заявил, что электрон должен быть не шариком, вращающимся на каком-то уровне атома, а шаром, по порядку величины, равным атому…
Расчеты по релятивистским понятиям как бы придавали частицам бесконечную центробежную силу и бесконечную массу.
Поэтому ни классикам, ни релятивистам спин, как вращение, не понравился.
Консенсус нашли, объявив спин не реальным, а неким виртуальным возможным для частицы вращением, которого как бы и нет.
Поль Дирак заметил, что для свободных частиц-фермионов с полуцелым спином — электронов, протонов, нейтронов характерно то, что их спин непрерывно меняет знак на противоположный и вновь принимает исходное значение. (Для атомов этот феномен не описан, спин атомов сохраняется и  может быть изменен внешним воздействием.)
Дирак вновь высказал имение о реальном вращении частиц, да еще то, что они вращаются по типу ленты Мёбиуса. Понятное дело, на это мнение Дирака особо не обратили внимания. Ведь это не укладывалось ни в какую теорию, переворот вихря ведь как бы возможен только после его остановки и поворота вращения другую сторону. Но эксперимент Г.Молины-Терезы, Х.Реколонса, Х.Торреса, Л.Тёрнера, Э.Райта — показал как идёт переворот спина фотонов.  Кстати фотоны в этом эксперименте имеют такой же спин как и фермионы, только спин этот в процессе кувыркания меняет направление. Так фотоны — бозоны или фермионы? И вообще имеет ли смысл условное деление частиц на бозоны и фермионы?

Фотоны, как реальные частицы, имеют реальные траектории движения. Афраим Штейнберг (Aephraim Steinberg) и его коллеги из Университета Торонто показали, что можно точно измерить положение фотонов и получить примерную информацию об их импульсе, используя подход, известный как «слабые измерения».
Ученые посылали фотоны один за другим через установку с двумя щелями, используя светоделитель светового пучка и две трубочки из оптоволокна. Также они использовали детектор, который определял положение фотонов на некотором расстоянии от щелей, и кристаллы кальцита перед детекторами для изменения поляризации фотона, что в итоге позволяло им сделать грубую оценку импульса каждого фотона по изменению его поляризации.
Измеряя импульсы многих фотонов, исследователи смогли выяснить средний импульс фотонов, соответствующий определенному положению в детекторе. Затем они повторяли измерения, увеличивая расстояние от щелей до детектора, после чего построили средние траектории фотонов. При этом интерференционная картина не разрушалась, а щели, через которые проходили отдельные фотоны-частицы четко выявлялись.

Почему-то никто из настоящих исследователей не обращает внимания на постулаты и теории «британских уч0ных» о очень любимых ими «запутанных фотонах». По постулатам «британских уч0ных» состояния «запутанных фотонов» неопределенны до момента определения этих состояний у любой из частиц, а ЛЮБОЕ воздействие на одну из «запутанных частиц» тотчас же производит изменения в другой запутанной частице, на каком бы расстоянии в то время частицы не находились. При отсутствии же воздействия — состояния частиц абсолютно неопределённы. Но когда «британские уч0ные» в своих как бы установках для как бы изучения «запутанных фотонов» мухлюют с реальными фотонами, производя на них массивные очень активные ВОЗДЕЙСТВИЯ посредством зеркал, линз, оптоволоконных кабелей, у них состояния фотонов остаются НЕОПРЕДЕЛЁННЫМИ до того момента пока им, «британских уч0ным», не вздумается определить эти состояния своими как бы приборами, состоящими из тех же зеркал, линз, оптоволоконных кабелей… А невозможность квантово-запутать объекты в макромире у них, по их утверждениям, якобы не получается только потому, что само воздействие среды создаёт неопределённость, причём эта неопределённость получается без воздействия всяких как бы спецприборов «британских уч0ных»…

Явления дисперсии, дифракции и интерференции фотонов-частиц вполне могут быть объяснены именно как взаимодействие частиц, а не «волн».
Прежде всего, для этого необходимо понять, что «волновая функция», приписываемая фотону релятивистами в форме размазывания его на километры или нанометры, неверна.
Фотон компактный объект сравнимый с любыми другими частицами. «Волновая функция» это связь между спином частицы и её поступательным движением.
У фотонов большой энергии спиновый цикл совершается на пути, измеряемом нанометрами, а у фотонов малой энергии спиновый цикл совершается на пути, измеряемом метрами и километрами.

 

То, что именно частицы могут создавать дифракционную картину, в 1999 году было показано группой Антона Цайлингера работавшей в Венском университете.

Похожие статьи

1 Комментарий

  1. Pingback: Световая микроскопия за пределами дифракции. | Вокруг Света

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *