Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 29
Спасибо за статью.
Еще в школе любимыми темами в учебниках были физика элементарных частиц и астрономия — интересно же узнать, как устроено самое маленькое и самое большое в нашем мире. О нейтрино в учебнике было буквально несколько строк, к сожалению.
С удовольствием почитал бы статьи и о других частицах, например, о кварках — с тех пор физика микромира сильно продвинулась вперед, а интерес к этой теме остался.
P.S. Может быть, у кого-то чешутся руки послать меня в гугл — спасибо, захаживаю. Только редко на какие увлекающие меня научные темы хватает времени, увы. Поэтому готовая статья на GT — бесценна с точки зрения экономии времени.
Еще в школе любимыми темами в учебниках были физика элементарных частиц и астрономия — интересно же узнать, как устроено самое маленькое и самое большое в нашем мире. О нейтрино в учебнике было буквально несколько строк, к сожалению.
С удовольствием почитал бы статьи и о других частицах, например, о кварках — с тех пор физика микромира сильно продвинулась вперед, а интерес к этой теме остался.
P.S. Может быть, у кого-то чешутся руки послать меня в гугл — спасибо, захаживаю. Только редко на какие увлекающие меня научные темы хватает времени, увы. Поэтому готовая статья на GT — бесценна с точки зрения экономии времени.
Массу нейтрино легче объяснить не через квантмех, а через СТО (специальную теорию относительности). Если частица движется со скоростью света, то в ее системе отсчета время останавливается. Это значит, что частица не может эволюционировать, в том числе распадаться или как-либо меняться. Нейтрино может меняться, а значит в его СО есть время. Получается, оно передвигается медленнее скорости света, и поэтому имеет массу.
Случаем не подскажите одну, наверное простую вещь, которую я всё никак не могу понять. В среде отличной от вакуума скорость светового пучка замедляется. Но замедляется ли скорость отдельно взятых фотонов? Я вижу примерно два варианта:
Если к истине больше вариант 2, то видимо это всё слишком сложно для простого понимания. Или тут просто принципиально не рассматривают волновые эффектны в рамках отдельно взятых квантов?
- Фотоны продолжают передвигаться со скоростью C, как ни в чём не бывало, но периодически чем-нибудь в этой среде поглощаются. Например электроном. Электрон меняет свою орбиту и выпускает лишнее ― новый фотон, в направлении перпендикулярном (или ещё каком) изначальному. Чем больше толщина материала, тем больше таких вот столкновений
- Рассматриваем фотон как волну. Тут включаются всякие сложности вроде интерференции. Понятия не имею как это работает в рамках отдельно взятого фотона. Фотон изменяет свою скорость (тем самым он приобретает массу?) и направление ввиду каких то волновых обстоятельств.
Если к истине больше вариант 2, то видимо это всё слишком сложно для простого понимания. Или тут просто принципиально не рассматривают волновые эффектны в рамках отдельно взятых квантов?
Я это понимаю так, что фотон превращается в квазичастицу — ансабль возбуждённых электронов и переизлученных фотонов. Эта частица движется в веществе со скоростью, меньшей скорости света, а при достижении границы вещества превращается в наиболее вероятный фотон.
Вопрос — почему сохраняется длина волны? Ведь электрон не может поглотить какой попало фотон, ему нужна определённая энергия для перехода на другую орбиту?
Вопрос — почему сохраняется длина волны? Ведь электрон не может поглотить какой попало фотон, ему нужна определённая энергия для перехода на другую орбиту?
ансабль возбуждённых электронов и переизлученных фотоновНе совсем, процесс «возбудили электрон — дождались переизлучения» не моментален, а определяется временем жизни возбужденного уровня, которое весьма велико. Этот подход работает только в металлах, где есть свободные электроны, образующие плазму.
Здесь скорее пункт два, в вакууме нет атомов, а в веществе атомов много, каждый окружен электронами, и каждый является источником электромагнитного излучения, с которым и взаимодействует световая волна (тоже электромагнитная волна), изменяя свою скорость и направление, более детально смотрите дисперсия света…
Если бы было так, свет бы расползался во все стороны, как в тумане или в куске мрамора. А через прозрачное вещество он проходит почти без потери фокусировки.
Изменение направления не имеет ни малейшего отношения к дисперсии света.
Может бы вы не поняли моего вопроса. Меня интересует что происходит с отдельно взятым фотоном. А вы мне дисперсию света… Правильно ли я понимаю, что отдельно взятый фотон в принципе не в состоянии двигаться со скоростью отличной от C?
м… смотря, что называть движением, у фотона нет позиции, есть импульс, тот фронт, что мы видим — групповая скорость волны, не фотона, она дико меняется при движении в среде, может поменять направление на противоположное(например), фазовая скорость может быть выше скорости света, на гранях это приводит к прикольным эфектам. А вот произведение фазовой и груповой скорости — есть константа, квадрат скорости света.
Правильно.
Как уже сказали выше, с микроскопической точки зрения «на пальцах» механизм замедления скорости можно объяъснить так: летит фотон (со скоростью C), поглощается частичкой среды, через некоторое время переизлучается. Летит дальше, опять поглощается, опять переизлучается. Вот и получается, что среднем скорость его меньше C.
Но, справедливости ради отмечу — когда фотон находится в среде, он достаточно сильно взаимодействует с ней. На языке квантовой механики это означает, что там уже невозможно выделить фотон как отдельную сущность.
Как частица он имеет смысл, вообще говоря, только в вакууме, как элементарное его возбуждение. Если среда устроена сложнее — возбуждения там тоже устроены сложнее.
Как уже сказали выше, с микроскопической точки зрения «на пальцах» механизм замедления скорости можно объяъснить так: летит фотон (со скоростью C), поглощается частичкой среды, через некоторое время переизлучается. Летит дальше, опять поглощается, опять переизлучается. Вот и получается, что среднем скорость его меньше C.
Но, справедливости ради отмечу — когда фотон находится в среде, он достаточно сильно взаимодействует с ней. На языке квантовой механики это означает, что там уже невозможно выделить фотон как отдельную сущность.
Как частица он имеет смысл, вообще говоря, только в вакууме, как элементарное его возбуждение. Если среда устроена сложнее — возбуждения там тоже устроены сложнее.
Вопрос отличный =). Думаю, взаимодействие фотона со средой — волновое, т.е. фотон представляется как суперпозиция волн с разными фазами, и для каждой из них можно отдельно расписать прохождение через среду.
Причем это не стандартный волновой пакет, который возник из Фурье-разложения (иначе бы он, как написали ниже, расплывался бы из-за дисперсии). Фишка в том, что у одиночного фотона неопределена фаза (из-за соотношения неопределенностей), а поэтому Фурье-разложение с четко заданными фазами не работает. Это все должно считаться через вероятности, но как — точно не скажу.
Ну и на пальцах: скорость света в каждой среде определяется оптической плотностью, которая задана электрической/магнитной проницаемостью из уравнений Максвелла. Это и есть ограничение на скорость любой электромагнитной сущности (в том числе фотона).
Причем это не стандартный волновой пакет, который возник из Фурье-разложения (иначе бы он, как написали ниже, расплывался бы из-за дисперсии). Фишка в том, что у одиночного фотона неопределена фаза (из-за соотношения неопределенностей), а поэтому Фурье-разложение с четко заданными фазами не работает. Это все должно считаться через вероятности, но как — точно не скажу.
Ну и на пальцах: скорость света в каждой среде определяется оптической плотностью, которая задана электрической/магнитной проницаемостью из уравнений Максвелла. Это и есть ограничение на скорость любой электромагнитной сущности (в том числе фотона).
Эммм. Что? :) Уравнение Максвелла, Фурье-разложение, волной пакет, суперпозиция волн, фазы, вероятности, электрическая\магнитная проницаемость… Что? :)
Попробую упростить вопросы.
Mrrl написал о некой квази-частице. Погуглив я пришёл к выводу, что сие есть удобная абстракция для вычисления результатов над сложными квантовыми ситуациями, которая оперирует сразу много чем. Так вот. Меня интересует не результат вычисления, не интересуют формулы расчёта скорости прохождения светом вещества… Не интересуют квазичастицы. Меня интересует просто отдельно взятый фотон. И только он.
На память анекдот…
Попробую упростить вопросы.
- Способен ли отдельно взятый фотон двигаться в пространстве со скоростью отличной от C? Или он заложник СТО и его скорость фиксированная?
- Способен ли фотон в пространстве двигаться НЕ прямолинейно, а, положим, отклонятся, встретив препятствие? Опустим гравитационные линзы и пр., возьмём простой вариант. Или я правильно понимаю, что фотон, встретив препятствие, перестаёт существовать, т.к. поглощается этим препятствием. Но может быть выделен новый фотон, который продолжит путь взамен старого?
Mrrl написал о некой квази-частице. Погуглив я пришёл к выводу, что сие есть удобная абстракция для вычисления результатов над сложными квантовыми ситуациями, которая оперирует сразу много чем. Так вот. Меня интересует не результат вычисления, не интересуют формулы расчёта скорости прохождения светом вещества… Не интересуют квазичастицы. Меня интересует просто отдельно взятый фотон. И только он.
На память анекдот…
Приезжает учёная делегация на севера. Провела необходимые исследования, замеры, прочие учёные дела. Пора бы уже и собираться домой. Но вот в программе остался 1 пункт по образованию населения, популяризации науки и т.д… Собирают местных чукчей и проводят полуторачасовую лекцию по квантовой физике, астрофизике, про то как космические корабли бороздят просторы Большого Театра… Под конец отвечают на вопросы слушателей. Встаёт самый опытный старец и спрашивает:
― Эти ваши атомы, шматомы и пр. это всё понятно. Вы лучше вот что скажите… Конфету «рачки» знаете? Вот как туда карамель попадает?
Анекдот отличный =)
1. Да, фотон может двигаться медленнее. Время от времени появляются новости про «замедление света», это именно оно.
2. Да, свет (=фотон) может отклоняться. Скажем, преломляясь на границе воздуха и воды.
Второй вариант (поглощение и переизлучение) тоже встречается, но это медленный процесс: фотон поглощается, а через какое-то время излучается. При этом направление движения обычно не сохраняется. То есть к сабжу это отношения не имеет.
1. Да, фотон может двигаться медленнее. Время от времени появляются новости про «замедление света», это именно оно.
2. Да, свет (=фотон) может отклоняться. Скажем, преломляясь на границе воздуха и воды.
Второй вариант (поглощение и переизлучение) тоже встречается, но это медленный процесс: фотон поглощается, а через какое-то время излучается. При этом направление движения обычно не сохраняется. То есть к сабжу это отношения не имеет.
О как. Спасибо за ответ. Вы перевернули моё мировоззрение о фотонах, я то думал что на оба вопроса ответ «нет». Получается магия заключается как раз в том, что фотон есть электромагнитный квант, и, соответственно, всё что связано с электромагнетизмом, может тем или иным способом воздействовать на фотон (например меняя его направление, скорость, энергию(?)), даже не поглощая его?
1. Является ли то, что участвует в этих экспериментах — фотонами, в том смысле в котором его называют адепты квантовой электродинамики и вслед за ними — популяризаторы науки? Я бы сказал, что так говорить некорректно. Квазичастицы — да, и это хорошее слово, не вводящее в заблуждение :)
2. С точки зрения той же КЭД (говоря на всеми любимом языке диаграм Фейнмана), фотон всё-таки поглощается и переизлучается. Это может быть виртуальный процесс, но тем не менее. Фотон является лишь переносчиком взаимодействия, он летает лишь между двумя актами взаимодействия. Рассеяния фотонов — комптоновское, да чьё угодно — устроено именно так.
2. С точки зрения той же КЭД (говоря на всеми любимом языке диаграм Фейнмана), фотон всё-таки поглощается и переизлучается. Это может быть виртуальный процесс, но тем не менее. Фотон является лишь переносчиком взаимодействия, он летает лишь между двумя актами взаимодействия. Рассеяния фотонов — комптоновское, да чьё угодно — устроено именно так.
Ох, коллега, мы сейчас начнем людей путать =) предлагаю сойтись на том, что и КЭД и волновые пакеты с неопределенностью — разные описания одного и того же процесса. А от ответа на вопрос «поглощается ли фотон» — технично увильнуть ;).
Да рассудит нас квантовая теория поля :)
Предлагаю такой ответ, надеюсь, он поможет кому-нибудь в треде что-нибудь понять. И не запутать.
Рассмотрим систему из диэлектрика и электромагнитного поля:
— Если называть фотоном сложно устроенное («одетое» в терминах КТП — представляющее собой кроме фотонов в том числе и комбинацию флуктуаций всяких электронных оболочек этой системы) возбуждение электромагнитной подсистемы, то — да, он может двигаться меньше скорости света. Даже более того — в сверхпроводимости такой объект даже массу имеет (внимание, массивный фотон!) в силу механизма Хиггса — и даёт эффект Мейснера.
— Если называть фотоном «голое» возбуждение простого электромагнитного вакуума — то ничего кроме скорости света от него добиться нельзя. Но и в среде эта штука долго не живет, а постоянно взаимодействует с ней через «виртуальные квантовые флуктуации».
Предлагаю такой ответ, надеюсь, он поможет кому-нибудь в треде что-нибудь понять. И не запутать.
Рассмотрим систему из диэлектрика и электромагнитного поля:
— Если называть фотоном сложно устроенное («одетое» в терминах КТП — представляющее собой кроме фотонов в том числе и комбинацию флуктуаций всяких электронных оболочек этой системы) возбуждение электромагнитной подсистемы, то — да, он может двигаться меньше скорости света. Даже более того — в сверхпроводимости такой объект даже массу имеет (внимание, массивный фотон!) в силу механизма Хиггса — и даёт эффект Мейснера.
— Если называть фотоном «голое» возбуждение простого электромагнитного вакуума — то ничего кроме скорости света от него добиться нельзя. Но и в среде эта штука долго не живет, а постоянно взаимодействует с ней через «виртуальные квантовые флуктуации».
Фотон-это не шарик, которому можно приписать однозначную скорость, поэтому ваш вопрос не имеет смысла. Строго говоря, фотон в веществе сам по себе вообще никак не способен двигаться.
А как же слово «корпускулярно» в корпускулярно-волновом дуализме? Разве оно не означает тот самый шарик (кубик, ромбик...)?
Давайте попробую изложить. Во-первых, надо понимать, что сама концепция корпускулярно-волнового дуализма возникла на заре квантовой механики, когда никто толком не понимал, как все работает. В интерпретации Бома-де Бройля и вообще в теории, обладающей дуализмом частица движется как волна, но детектируется как шарик. Проблема в том, что на самом деле никакого отличия между «движением» и «детектированием» на самом деле нет — законам природы наплевать, происходит детектирование или нет — частицы всегда ведут себя одинаково.
Откуда же берется дуализм? Представьте себе, что у вас есть некая сущность, которая эволючионирует согласно законам квантовой механики — квант, и прибор, который поглощает этот квант и выдает число — координату места, где он его поглотил. Конечно с таким детектором частица будет вести себя как шарик, но причина здесь не в том, что она каким-то образом поняла, что ее детектируют и превратилась в шарик. Напротив — вы сами заставили ее так себя вести. Если детектор будет чувствителен не к позиции, а к чему-нибудь другому, то и результат будет другим. Просто исторически все детекторы были позиционно-чувствительны, поэтому это закрепилось в массовом сознании :)
Что же касается квазичастиц — в квантовой теории поля невозможно сказать, что есть истинная частица, а что — квазичастица. Обычно используется какое-нибудь функциональное определение, типа частица — это то, что можно излучить и принять детектором. В этом смысле, даже обычный электрон, летящий в вакууме — квазичастица, не говоря уж про электромагнитное поле, взаимодействующее с веществом. В веществе фотон одевается в «шубу» из возмущений и от нее не отделим. Эта шуба имеет массу, поэтому результирующее образование движется медленее скорости света — но это уже не фотон.
Откуда же берется дуализм? Представьте себе, что у вас есть некая сущность, которая эволючионирует согласно законам квантовой механики — квант, и прибор, который поглощает этот квант и выдает число — координату места, где он его поглотил. Конечно с таким детектором частица будет вести себя как шарик, но причина здесь не в том, что она каким-то образом поняла, что ее детектируют и превратилась в шарик. Напротив — вы сами заставили ее так себя вести. Если детектор будет чувствителен не к позиции, а к чему-нибудь другому, то и результат будет другим. Просто исторически все детекторы были позиционно-чувствительны, поэтому это закрепилось в массовом сознании :)
Что же касается квазичастиц — в квантовой теории поля невозможно сказать, что есть истинная частица, а что — квазичастица. Обычно используется какое-нибудь функциональное определение, типа частица — это то, что можно излучить и принять детектором. В этом смысле, даже обычный электрон, летящий в вакууме — квазичастица, не говоря уж про электромагнитное поле, взаимодействующее с веществом. В веществе фотон одевается в «шубу» из возмущений и от нее не отделим. Эта шуба имеет массу, поэтому результирующее образование движется медленее скорости света — но это уже не фотон.
О как. Спасибо за ликбез. Более менее понятно. Вселенная это некий многомерный волновой суп.
Чем в большие дебри квантмеха я пытаюсь со своим любопытством залезть, тем больше я вспоминаю слово «контр-интуитивно». Всё это сильно выбивается из привычных нам абстракций, паттернов поведения…
Остаётся лишь надеятся, что когда Теория Всего будет разработана и завершена, всё это удастся объяснить простыми и логичными доводами. Чтобы картинка реальности сама накладывалась на мышление и была очевидна.
Чем в большие дебри квантмеха я пытаюсь со своим любопытством залезть, тем больше я вспоминаю слово «контр-интуитивно». Всё это сильно выбивается из привычных нам абстракций, паттернов поведения…
Остаётся лишь надеятся, что когда Теория Всего будет разработана и завершена, всё это удастся объяснить простыми и логичными доводами. Чтобы картинка реальности сама накладывалась на мышление и была очевидна.
Раз масса всех нейтрино сопоставима с массой звезд, интересно распределение нейтринной массы. Нейтринное облако от галактики должно неплохо гравитировать.
сумма масс всех нейтрино приблизительно равна массе всех видимых звезд
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Космический хамелеон или за что дали Нобелевскую премию по физике 2015