Comments 114
Простите, фотонов? Я думал радио передаётся электронами...
Таки фотонов, при рассмотрении под углом корпускулярно-волнового дуализма.
Фотон- это квант колебаний электромагнитного поля, а радио-волны- это, как известно- ЭМ-волны, то есть те самые колебания электромагнитного поля.
Хорошо бы это в начало статьи.
Так-то это физика за 11й класс средней школы, такое в начало статьи писать такое себе, можно заподозрить автора в издевке.
11й класс средней школы какого века? :D
Не обязательно, в издевке, также помнил что фотоны чисто к свету и меньшей длины волны но потом такой: так ведь теория корпускулярно-волнового дуализма непрерывна в обе стороны...
Как бы да, просто фотон обычно упоминают в контексте видимого света, а не ЭМ-волн.
Таки фотонов, при рассмотрении под углом корпускулярно-волнового дуализма.
Применение понятия фотона для таких частот очень спорно. Потому что фотонами обмениваются квантовые системы. А передатчик и приёмник на таких частотах сугубо макроскопические. Там чистый Максвелл, волны - безо всякой корпускулярности получаются.
антенны сделаны из атомов, они вполне квантовые, как и кот Шредингера.
если "применение фотонов" зависит от частоты- то нам надо две теории электромагнитного поля и обоснование- при каких условиях какую из них применять. условно там- при энергии меньше какой-то или там длине волны больше какой-то квантование электромагнитного поля прекращается. Но у нас нет такой теории, у нас пока только одна теория возмущений электромагнитного поля и в ней энергия возмущения этого поля E=hv. И у нас сразу получается противоречие логике- если при какой-то длине волны прекращается квантование- то мы можем сложить в кучку длинноволновые колебания так, что их амплитуда станет большой и энергия колебания- превысит пороговый предел, но в этом случае колебание с такой энергией должно превратится в высокочастотный фотон, а у нас не наблюдается никакого подобного эффекта.
Вам в школе не рассказывали о границах применимости физических теорий?
Всеобщей теории всего как бы нет. И даже космические полёты не по ОТО рассчитывают. Не говоря уж о земной механике. Все теории приблизительные. И квантовая теория и теория относительности и, даже, электродинамика.
Так и тут - применять квантовое описание к перемещению макрообъектов можно, но абсолютно бессмысленно. И рассчитывать распространение килогерцовых волн через фотоны - тоже ( для начала прикинте физические размеры такого кванта: длину-высоту-ширину, а также какую долю синусоиды он занимает)
не вижу оснований утверждать, что квантовое описание к перемещению макрообъектов применять бессмысленно. это ни из чего не следует. и более того- у нас прямо противоположная в физике гипотеза- что применение квантового описания к макрообъектам единственно правильное, просто конечный результат этого описания- в точности соответствует макрохарактеристикам, поэтому в макромире все упрощается.
Ну что ж, желаю удачи сдать любой экзамен по физике рассчитывая скатывание цилиндра по плоскости с использованием квантового описания!
Ну или водоотведение на участке - недавно вот рассчитывал, по классике, еретик я этакий!
то, что рассчитывать МДТТ и гидродинамику, моделируя поведение всего ансамбля микрочастиц, формирующего макросистему- технически сложновато- никак не отменяет и не противоречит тому, что это квантово-механическое описание сложной системы остается верным при росте ее размеров. Но расчеты действительно упрощаются, если вместо анализа стабильности электронных оболочек атомов принять допущение о линейной деформируемости всей среды в целом по закону Гука. Закон Гука, кстати, еще лет пятнадцать назад рассчитывали у нас в Черноголовке, емнип, чисто моделируя квантовое поведение тысячи-другой атомов- прям вот Шредингера в упрощенной форме на суперкомпьютерах гоняли и вполне себе точно воспроизводили модули упругости, приведенные в Кикоине.
Ой, а ссылка на что-нибуддь есть? Это ж квантовый сопромат, одному бы щнакомому показать
Яновский Ю.Г, Никитина Е.А. Карнет Ю.Н, Никитин С.М. / Физическая мезомеханика, 12 4 (2009) 61-70
Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2392–2394
Кадатский Максим Алексеевич
КВАНТОВО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ И СМЕСЕЙ ПРИ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЯХ ЭНЕРГИИ
Специальность 01.04.08— «Физика плазмы»
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
Я обожаю современную науку. Диссертации пишутся не ради поиска знаний, а на соискание учёной степени.
диссертация- это квалификационная работа. Она всегда была нужна не для поиска знаний, а для подтверждения квалификации автора диссертации. Знания он (автор диссертации) искал, когда научной работой занимался, потом, найдя знания- он писал статьи, публиковал эти знания и делал их достоянием общественности, а когда нарыл знаний настолько много, что возникло подозрение- а не квалифицированный ли он ученый теперича- вот тут то он диссертацию и написал, чтоб подозрения эти окончательно развеять и убедиться- таки да, квалифицированный ученый, смотри какую кучу знаний нарыл, в диссер сложил, оформил и даже складно все это на защите доложил и на каверзные вопросы оппонентов ответил. дать ему за такое диплом и больше таковых вопросов о квалификации не предьявлять. :-)
В принципе ничто не мешает рассчитывать скатывание цилиндра и водоотведение на участке с использованием квантовой механики. Классическая механика и классическая гидродинамика -- менее точные, но более удобные для расчётов модели. Макроскопические приближения, позволяющие упростить часто встречающиеся в практике задачи. Удобство этих приближений не означает, что лежащая в их основах теория неверна.
Ну расскажите нам про границы применимости квантовой теории. Они вроде как должны (или не должны) проходить в том месте, где начинает проявляться ОТО, других границ на сегодняшний день не просматривается. И ньютоновская механика, и электродинамика входят подмножествами в квантовую теорию, и вот они и есть приближения в ней со своими известными границами применимости.
Эффекты ОТО, кстати, если не напрямую наблюдаются в орбитальной механике (наверняка не знаю, врать не буду), то, по крайней мере, вопрос об их влиянии ставится. Навскидку: https://link.springer.com/article/10.1007/s10569-021-10014-y
Я не то чтобы призываю рассчитывать детекторные приемники на основе квантовой электродинамики, но стоит понимать, что вопрос о числе фотонов в радиосигналах, особенно такого типа и мощности, с какими имеют дело радиоастрономия и дальняя космическая связь, вполне себе вменяемый. Ниже уже написали про дробовой шум. У большого радиотелескопа с чувствительным приемником пороговый сигнал с центральной частотой ~1.5 ГГц, который можно обнаружить, состоит из единиц или десятков тысяч фотонов в секунду. Т. е. его флуктуации за счет "квантованности" доходят до единиц процентов, что вполне себе наблюдаемо.
Размер такого кванта?Хорошо, давайте прикинем :) Считать не буду, просто прикинем.
Тут сразу возникает вопрос - что считать его размерами, так как понятия "размер кванта" не существует. Давайте под его размерами считать область, в которой он присутствует одновременно перед поглощением в антенне. В этот момент этот квант - это волна, которая распространяется в виде волнового фронта. Да, даже одиночный квант до поглощения (коллапса) представляет собой волновой фронт, форму которого определяет диаграмма направленности антенны. Я не знаю, сколько его размер будет около антенны на земле, но там величина его будет огормна - может, миллионы километров, может, триллионы или больше :)
А что насчёт фотона видимого света? А там то же самое! :) тоже волновой фронт, разве что пучек можно сфокусировать получше. Ну, будут не миллионы, например, а тысячи километров. Пока летит к антенне или фотоприемнику - это волновой фронт, а как прилетел - бац, уже частичка и вся ее энергия тут, словно и не было волнового фронта...
Тут наш усталый мозг из привычного макромира возражает - а может, и не было никакого волнового фронта? Может это просто частичка была всю дорогу. Поэтому и вся попала в антенну или фотоприемник? Это хороший вопрос, и он мучал лучшие умы человечества, наверное, несколько десятков лет. Проверяли. Самыми разными способами. Например, тот же волновой фронт одиночного фотона можно расщепить и заставить интерферрировать сам с собой. И куча других самых разных экспериментов ставили. Выводы однозначные - даже один фотон распространяется в виде волнового фронта, размеры которого могут быть любыми. И фотоны видимого света, и радиоволны, и гамма кванты. Не верите? Ищите источники, проверяйте :)
Удивительно? Но это не все, это только начало, пристегните ремни!))
Дальше такие эксперименты стали уже проводить со вполне материальными частицами. Начали с электронов. И там то же самое!!! Пока частица летит без взаимодействия она ведёт себя как волновой фронт и присутствует сразу во всех его точках!!! И можно точно так же расщепить этот волновой фронт, получить интерферренцию одного кусочка волны с другим...
Ионы - то же самое!
Один из последних самых поразительных экспериментов - это с фуллеренами. Это нехилый такой кусок материи - 60 атомов углерода. И он - тоже волна! Все то же самое, точно такое же поведение, как у фотонов и радиоволн.
Не верите? Проверяйте! Успехов вам, только не провалитесь в эту поразительную кроличью нору, которой является квантовая физика :)
У вас забавно получается - что когда фотон поглощается антенной у вас одновременно и мгновенно "проседает" по энергии весь фронт излучения (который состоит из многих фотонов).
Стоп! Мгновенно и одновременно на световые дни? (в случае с Вояджером) А что теория относительности "думает" по этому поводу?
P.S. открою вам большой секрет всех антеньшиков: фронт в дальней зоне всегда сферический! Просто энергия по сфере распределена (очень) неравномерно, но нигде она не равна строго нулю.
У вас забавно получается - что когда фотон поглощается антенной у вас одновременно и мгновенно "проседает" по энергии весь фронт излучения (который состоит из многих фотонов).
Да, коллапс волновой функции происходит мгновенно, не зависимо от расстояния. Точно так же, как у спутанных фотонов.
Стоп! Мгновенно и одновременно на световые дни? (в случае с Вояджером) А что теория относительности "думает" по этому поводу?
Она не против, так как при этом не происходит передача материи, энергии и информации.
Ну как же не происходит? Другая антенна на "другом конце" фронта может (в теории) зафиксировать падение мощности и понять что сигнал начал слушать кто-то другой. Мгновенно.
Фотон поглотится либо одной антенной, либо другой. Обеими не может.
Вообще, после поглощения, это выглядит, словно фотон был выпущен передатчиком и прилетел в одну из антенн. О наличии волнового фронта антенна не знает и узнать не может.
Но волновой фронт был :)
Посмотрите описание двухщелевого эксперимента для одиночного фотона. Если пулять по одному фотону через две щели, фотон попадает в разные места экрана. Но если собирать эти точки, они со временем вырисовывают интерфереционную картину. Например, есть "запрещенные" места, в которые фотон не попадает никогда, несмотря на то, что он один пролетал через щели. Поучается, он был волной, которая прошла через обе щели одновременно, двумя пучками, которые прореагировали между собой. Если одну щель закрыть - интерфереционная картина пропадает.
Фотон поглотится либо одной антенной, либо другой. Обеими не может.
Ну да, я о чём и говорю.
Очень-очень-очень сильно утрированно:
Пусть передатчик раз в секунду выпускает 4 фотона.
Мы сидим с антенной и принимаем в среднем 2 фотона раз в секунду (вероятность приёма 1/2)
Затем дядя Вася становится с противоположной стороны антенны и тоже начинает принимать. Т.к. фотон может поглотится либо у нас, либо у дяди Васи - то количество поглощаемых фотонов упадёт в два раза - мы, мгновенно как только дядя Вася начнёт принимать увидим падение среднего уровня сигнала до 1 фотона в секунду.
Т.е. мы мгновенно получили от дяди Васи информацию о включении его антенны. И включая и выключая антенну на приём дядя Вася сможет мгновенно посылать нам битики.
Т.е. это даже круче чем связанные фотоны получается (у последних - только апостериорное установление одновременности возможно). И что-то мне подсказывает, что такое "схлопывание фронта" противоречит квантовой теории поля.
Я как бы не гуру в квантовой физике, могу в чем-то ошибаться.
Но я совершенно точно знаю, что до взаимодействия фотон любой частоты существует в виде волны, волнового фронта. Да и не только фотон. Но поглощение произойдет только в одной точке, где обнаружится наличие фотона или другой частицы целиком, она неделима (в отличие от волнового фронта). О наличии волнового фронта можем судить косвенно, и его наличие никаких других законов физики не нарушает.
В приере с дядей Васей. Допустим, без дяди Васи мы принимали только один из миллиардов фотонов, выпущенных передатчиком. Остальные поглотились землей или улетели дальше. Дядя вася включил свою антенну. Стал принимать свою одну миллиардную часть, у нас ничего не меняется.
Когда волновой фронт достиг антенны - это не означает взаимодействие с ним.
Кстати, о том, что волновой фронт не всегда взаимодействует с тем, чего достиг. Пример из того же двухщелевого эксперимента с одним фотоном.
От источника идет волновой фронт, который проходит через обе щели. Это мы знаем точно, иначе бы не было интерференции. Но часть волнового фронта попадает и на экран с щелями - хотя бы потому, что между щелями есть закрытый участок. Но фотон долетел до экрана и провзаимодействовал с ним тут, весь. А часть его волнового фронта попала на экран, но не взаимодействовала с ним.
На всякий случай напомню, что одновременное точное измерение количества фотонов и фазы электромагнитной волны запрещено принципом неопределённости (это одна из его малоизвестных "ипостасей", в отличие от неопределённостей импульс-координата или энергия-время). Иными словами, если вы точно знаете, что ваш передатчик испустил четыре фотона, то у вас нет абсолютно никакой информации о том, где находится фронт волны.
Т.к. фотон может поглотится либо у нас, либо у дяди Васи - то количество поглощаемых фотонов упадёт в два раза
"Фронт" фотона -- это, скажем так, волна плотности вероятности, а не классическая электромагнитная волна с плотностью энергии (как у антенщиков). Когда "фронт" дойдёт до вас, вы получите какую-то свою плотность, Вася получит свою. Полная вероятность по всему фронту -- единица, распределение -- ну как амплитуда волновой функции распределится. Поэтому ни у кого ничего не упадёт -- каждый будет наблюдать фотоны с вероятностью, пропорциональной квадрату амплитуды волновой функции в данной локации. А вот импульс и поляризация фотона окажутся такими, как будто вы приняли плоскую ЭМ волну, всю целиком.
Речь идёт не про одиночный фотон, а про поток фотонов. Про потоки энергии. Если фотоны поглощаются в одном месте, то не поглощаются в другом. Поэтому в такой модели добавление ещё одного поглотителя фотонов - сразу снизит поток фотонов, поток энергии у всех остальных.
Энергия - то должна сохраняться? С этим-то вы согласны?
Речь идёт не про одиночный фотон, а про поток фотонов.
Если это не ансамбль когеретных фотонов, то никакой разницы нет, можно рассматривать взаимодействие каждыого фотона отдельно, и потом суммировать их взаимодействия.
добавление ещё одного поглотителя фотонов - сразу снизит поток фотонов, поток энергии у всех остальных.
Не снизит, так как каждый поглотитель будет в среднем поглощать столько фотонов, сколько позволяет плотность вероятности, которая зависит от амплитуды волновой функции фотонов, и не зависит от наличия других приёмников. А вероятность распределена по всему сферическому "фронту", и с ростом размеров фронта плотность вероятности уменьшается квадратично. Вы и Вася получите лишь крошечные доли полной вероятности, вам обоим хватит, и ещё останется.
Энергия - то должна сохраняться? С этим-то вы согласны?
Она и сохраняется. Просто вы почему-то считаете, что если вы не обнаружили фотон, но его обнаружил Вася, то он как бы "украл" его у вас (или наоборот). Но это не так -- если не было бы Васи, то необнаруженный вами фотон просто полетел бы дальше, как бы "украв" сам себя у вас. Что Вася, что не Вася -- всё равно: вы будете упускать фотоны с некоей определённой вероятностью.
У меня в (экстремально искусственном) примере суммарно энергии на 4 фотона в секунду. Не больше. Если я принимаю 2 фотона в секунду и Вася принимает 2 фотона в секунду, то Пете же уже ничего не достанется Так ведь? Откуда энегргии взяться? Энергия ведь сохранаятеся в среднем, несмотря на любые вероятности?
А без нас с Васей он Петя вполне себе что-то да принимал бы.
Т.е. в предложенной модели (кода весь сферический фронт схлопывается в одну точку при регистрации фотона) каждый приёмник уменьшает среднее количество энергии получаемой всеми остальными приёмниками независимо от их положения.
А что находится между вами? Там никаких, случайно, объектов нет?
"Приемник" это же что угодно, пылинка по дороге -- вполне себе приёмник.
Если я принимаю 2 фотона в секунду и Вася принимает 2 фотона в секунду, то Пете же уже ничего не достанется
То, что передатчик выпускает 4 фотона в секунду, вовсе не гарантирует, что все эти 4 фотона вообще достанутся кому-то из наблюдателей. Поэтому бессмыслено делить эти 4 фотона между вами, Васей и Петей, как какую-то пайку. Передатчик на самом деле выпускает миллионы фотонов, но пока они долетают до вас, плотность вероятности уменьшается настолько, что вы перехватываете лишь 4 в секунду, и Вася перехватывает свои 4 в секунду, и Пете что-то достаётся, остальное пролетает дальше. Вы все перехватываете разные фотоны, причём очень малую часть от всех испущенных, пересечений почти не будет. Возможно, появление Васи и Пети с их далёкими слабыми приёмниками слегка уменьшит поток регистрируемых вами фотонов за счёт пересечения -- но на такую мизерную часть, что чтобы набрать достаточно статистики, чтобы заметить изменение и доказать, что это не случайная флуктуация, вам придётся потратить столько же времени, сколько потратило бы сообщение от Васи о том, что он начал приём.
Если вы с Васей сядете вплотную к передатчику и будете почти гарантированно перехватывать половину излучаемых фотонов каждый, то да, Пете ничего не достанется, вы просто экранируете передатчик. И да, вы с Васей будете существенно влиять друг на друга, потому что ваши антенны будут иметь угловой размер с небесную полусферу каждая, и их края будут почти соприкасаться.
Вы зачем мою задачу переделываете? Источник фотонов потребляет электроэнергии ровно на 4 аш*ню в секунду. Всё точка. Это заданное условие. Если хотите рассмотреть другую задачу - начинайте отдельный тред.
Вы вообще понимаете к чему я её вообще сформировал?
И да, вы с Васей будете существенно влиять друг на друга, потому что ваши антенны будут размером с полусферу каждая.
С чего же? Если каждая полностью поглощает всё что на него падает?
Источник фотонов потребляет электроэнергии ровно на 4 аш*ню в секунду.
Это не значит, что вы с Васей все 4 перехватите. Вероятность детектирования будет падать с квадратом расстояния до источника. Вы, может быть, будете детектировать по фотону в час. И Вася тоже. И чтобы статистически доказать, что Вася пришёл и перехватывает некоторые из фотонов, вам понадобится столько же времени, сколько до вас доберётся свет от самого Васи.
Если каждая полностью поглощает всё что на него падает?
Где вы такую антену возьмёте? Фантастика на другом этаже.
если "применение фотонов" зависит от частоты
При использовании понятия "квант энергии" (в частности "фотон") отталкиваться надо от физического процесса в котором формируется этот "кусок энергии".
Фотон - квант электромагнитной энергии. "Квант" это "неделимая и точно определенная порция энергии". Генерация кванта энергии это процесс строго ограниченный по времени и энергии. Например "квант света" формируется при переходе электрона между энергетическими уровнями. Один переход - один квант излучения.
Радиосигнал - это электромагнитная волна которая не делится на кванты. Там попросту нет физического процесса разбивающего поток энергии на отдельные кванты.
если при какой-то длине волны прекращается квантование
Меняется возможность генерации отдельных квантов, и свойства этих квантов. "Квант" это просто "порция энергии".
"Фотоны", исторически, это те порции электромагнитной энергии, которые формируются возбужденным атомом(молекулой) или ядром атома. Они имеют характерные свойства, отличные от свойств волн радиодиапазона. Поэтому фотоны и радиоволны не смешивают в одну группу.
Справедливости ради - радиоволну можно рассматривать как излучение фотонов всякими псевдочастицами-экситонами.
Т.е. там под это дело можно подвести теорию - но зачем? Тем более что экспериментально эти вычисления никак не проверишь.
а когда у меня электрон летит между магнитной гребенкой- там кто генерирует кванты? а там генерируется квантованный рентгеновский поток.
Конкретно применительно к ЭМ-полю- КЭД постулирует, что возмущения по этому полю распространяются не как попало, а именно в виде возмущений строго квантованных по энергии. Поэтому радиоволна- это такое же усредненное макроописание распространения возмущений ЭМ-поля, как и волновая оптика- то есть, очень похожее на правду всегда, кроме одного момента- оно ложное.
Вопрос не в том, есть такой процесс, или нет- вопрос в том, какого вообще вида могут быть возмущения ЭМ-поля. Пока физика думает, что таковые возмущения имеют только один возможный вид- кванты с энергией E=hv. других типов возмущения в ЭМ-поле у нас не придумано. А посему- и радио-волна точно такой же поток квантов, просто низкоэнергетических.
Фотоны исторически- это порции энергии, формирующиеся горячим телом! не возбужденными атомами, а просто горячим телом. когда придумали фотоны- атом еще был пудингом Томсона, а не возбужденным.
Фотоны и радиоволны именно что смешиваются в одну группу- называется электромагнитный спектр или спектр электромагнитных колебаний- и там все- от ДВ-радио через УКВ и СВЧ в свет, затем рентген и гамма-кванты. И все это описывается абсолютно одинаковой физикой- КЭД с наворотами.
Фотоны и радиоволны именно что смешиваются в одну группу- называется электромагнитный спектр или спектр электромагнитных колебаний- и там все- от ДВ-радио через УКВ и СВЧ в свет, затем
рентген и гамма-кванты.
Осторожнее с терминологией. "Спектр электромагнитных колебаний" - указывает только на тип энергии - электромагнитную энергию. Но ничего не говорит про кванты.
"Квантование" и "спектр" это разные вещи. "Квантование" указывает на "дискретность" чего-либо. А "спектр" указывает на диапазон значений какого-либо параметра. "Спектр" никак не привязан к "кванту". Сам по себе спектр может быть как непрерывным так дискретным (квантованным).
Конкретно применительно к ЭМ-полю- КЭД постулирует, что возмущения по этому полю распространяются не как попало, а именно в виде возмущений строго квантованных по энергии.
В КЭД речь идет про кванты поля(!). Квантование поля это совсем не то что квантование излучения. Так же как энергия волн на воде это совсем не то же самое что энергия отдельных молекул воды. Волну на воде можно описать как количество и высоту спадов-подъемов на поверхности воды, а можно описать как сумму взаимодействия множества молекул воды. Это разный уровень моделирования.
Вопрос не в том, есть такой процесс, или нет- вопрос в том, какого вообще вида могут быть возмущения ЭМ-поля. Пока физика думает, что таковые возмущения имеют только один возможный вид- кванты с энергией E=hv.
Нельзя рассматривать фотон в отрыве от процесса в котором он генерируется. Это грубая методическая ошибка. Именно из-за этого и возникло ложное представление о том, что любое ЭМИ это поток квантов с энергией пропорциональной частоте излучения.
Для генерации кванта (порции электромагнитного излучения) нужен "генератор" особой конструкции, который формирует эти порции. Атом - как раз одна их таких конструкций, которая в естественных(!) условиях генерирует отдельный квант ЭМИ. Однако, можно создать условия, при которых заряды в атоме будут совершать непрерывные колебания в режиме резонанса, и генерировать непрерывную волну света, не разделенную на кванты. То что мы в окружающем мире наблюдаем свет в виде потока квантов, это всего-лишь частный случай ЭМИ, возникающий при определенных условиях, в конкретной излучающей системе (конструкция атома + входящий поток энергии низкой интенсивности + отсутствие резонанса).
В радио-антенне генерируется непрерывная электромагнитная волна, при циклическом перемещении электронов в объеме проводника. Один период волны сформируется тогда, когда электроны совершат колебание и переместятся в исходную точку. Но волна в этот момент не отрывается от антенны в виде отдельного кванта с энергией E=hv. То есть, не происходит какого-либо физического разделения излучения на отдельные кванты, в данном режиме генерации.
Однако, можно создать условия, при которых заряды в атоме будут совершать непрерывные колебания в режиме резонанса, и генерировать непрерывную волну света, не разделенную на кванты.
Можете привести какие-нибудь ссылки?
То что мы в окружающем мире наблюдаем свет в виде потока квантов, это всего-лишь частный случай ЭМИ, возникающий при определенных условиях, в конкретной излучающей системе
Вот с этим квантовая теория поля строго несогласна. В ней ЭМ-взаимодействия происходят только через фотоны и никак иначе. Т.е. наблюдаемое ЭМ поле - это принципиально только кванты. Даже статические поля (они статические только в одной ИСО)
Однако, можно создать условия, при которых заряды в атоме будут совершать непрерывные колебания в режиме резонанса, и генерировать непрерывную волну света, не разделенную на кванты.
каким образом можно создать такие условия? я хочу непрерывную волну красного света, не разделенную на кванты- при каких условиях такая волна возникает?
Если можно создать условия для генерации волны красного света, не разделенной на кванты- то чем такая волна будет отличаться от обычного красного света, разделенного на кванты? почему мы не наблюдаем в экспериментах двух разных красных светов- квантованного и непрерывного? если мы таки наблюдаем именно два разных красных света- то в каких экспериментах это различие проявляется?
Пока я продолжаю считать, что у нас нет никаких интуитивно привычно понятных нам электромагнитных волн, а все электромагнитное излучение возникает, распространяется и поглощается исключительно в виде квантов-фотонов, имеющих строго фиксированную энергию, однозначно связанную с частотой и длиной волны. При этом базовой величиной является именно энергия квантов, а частота и длина волны- это уже проявления этих квантов, которые для нас исторически оказались понятыми как частота колебаний и длина волны колебаний.
спектр электромагнитных колебаний непрерывен по частоте- частота ЭМ-колебаний может быть абсолютно любой. электромагнитные колебания квантованы по энергии, энергия электромагнитного колебания может быть только кратной величине hv. электромагнитные колебания любой частоты остаются электромагнитными колебаниями, квантованными по энергии и распространяющиеся только в виде таких вот специфических порций-квантов. характерная особенность, отличающая ЭМ-волну от других волн- при сложении двух волн с амлитудой h например, на поверхности воды- получается волна с амплитудой 2h. А при сложении двух волн с амплитудой E в электромагнитном поле- получается волна с аплитудой sqrt(2)E! Хотя бы из этого примера уже понятно, что электромагнитные волны складываются совсем не так, как волны на воде или в звуке.
спектр электромагнитных колебаний непрерывен по частоте- частота ЭМ-колебаний может быть абсолютно любой. электромагнитные колебания квантованы по энергии, энергия электромагнитного колебания может быть только кратной величине hv.
Это вот как-то не того. "Деление на кванты" и "квантование" - разные вещи. В связанной системе квантуются всевозможные моменты импульса - в том смысле, что они могут принимать дискретные значения, кратные ℏ (измеримый квадрат момента равен ℏ^2 k(k+1) для орбитальных моментов, ℏ^2 k(k+1)/2 для спинов и сумм, в которые они входят, k ∈ ℕ ∪ {0}). А энергия переносится кусками-квантами, при этом энергия куска равна ℎν и может быть любой, как и ν.
при сложении двух волн с амлитудой h например, на поверхности воды- получается волна с амплитудой 2h.
но кто ее мерил?
А при сложении двух волн с амплитудой E в электромагнитном поле- получается волна с аплитудой sqrt(2)E!
Чего это? Электромагнитные волны складываются гораздо лучше, чем материальные, с точки зрения линейности. Если складываются когерентные поля, амплитуда будет от 0 до 2, в зависимости от разности фаз. Если поля некогерентные, то интерференционный член будет в среднем по времени 0, и медленный детектор увидит только сумму интенсивностей, т.е. как бы квадрат поля с амплитудой sqrt(2). Но в каждый момент там будет честная комплексная сумма, которую в радиодиапазоне, например, можно непосредственно измерить. В общем-то, с любыми волнами в линейном режиме будет то же самое - волновое-то уравнение одно и то же.
Фотон света можно зарегать один, а фотон ЭМ можно ? Лажа какая то
Но ведь фотон света — это то же самое электромагнитное излучение с длиной волны, отличной от радио
А чем они отличаются кроме длины волны?
Или с какой частоты у вас волны превращаются в фотоны?
Теоретически, один фотон ЭМ в экранированном вакууме - да, конечно можно. Про реальный фотон в космосе в конце статьи объяснено - нужно больше одного, чтобы превысить фон реликтового излучения.
Вы ведь не можете зарегать одну молекулу воздуха? она настолько слаба, что Вы ее не чувствуете. А вот если рядом с Вами шарик воздушный лопнет- то Вы вполне себе и сами сгенерируете поток молекул газа от неожиданности. Потому что воздействие ансамбля слабых частиц оказывает уже вполне себе сильное влияние на макрообъект.
Одиночный фотон мы можем зарегать почему? потому что у нас есть фотоумножители! один фотон электризует молекулу, находящуюся в сильном электрическом поле, и это поле растаскивает ион и электрон в разные стороны, накачивая их энергией, те разлетаются, стукаются в стенки, электризуют их- рождая уже небольшие потоки заряженных частиц, поле их ускоряет снова, еще усиливая и так раз пять-десять. В итоге на выходе получается нормальный такой энергетически заметный выхлоп, который мы и диагностируем своими макроглазами. НО! все началось с того, что фотон электризовал одну единственную молекулу. А если фотон слишком слаб для электризации молекулы? тот тогда мы не детектируем ничего. умножение не запускается! Радиокванты имеют настолько низкую энергию, что воздействие одиночного кванта на одиночный электрон приводит к изменению энергии этого электрона настолько малому, что мы не можем его выделить на фоне тепловых шумов. Но вот толстый поток таких фотонов вполне себе уже влияет на макрохарактеристики поведения ансамбля таких электронов в проволоке-антенне.
Другая сторона шкалы- мы не можем зарегистрировать гаммаквант! при взаимодействии этого гаммакванта с ядром атома родится такой адский поток всяких частиц, что мы видим их следы- но не видим гаммакванта, и думаем- что раз что-то так вот интересно и громко бахнуло- то это был гаммаквант, "не мог же я сам наделать столько шума".
Физика микромира вообще контринтуитивная штука чуть менее, чем полностью.
Радиоквант, он же радио фотон, подразумевает дискретность электромагнитного поля ? Сильное электрическое поле по логике тоже дискретно и состоит из фотонов или это другое ? Вообще конечно трудно для понимания если не знать что собственно есть такое ... Материя. Интересно гравитационные кванты тоже существуют ?
Гравитационные кванты хотят, но пока не могут.
А по поводу электромагнитного поля - у нас даже понятия электрического тока нормального нет. А вы поля с фотонами хотите!
а вот у нас- электрический ток- это упорядоченное движение зарядов. и мы с этим определением вполне себе прекрасно живем.
Т.е. тока смещения, например, у вас нет. И это не единственная проблема с током (ещё: для вас это вектор, скаляр? И т.д. и т.п.)
как связано наличие или отсутствие "понятия электрического тока" с наличием или отсутствием понятия "ток смещения"- решительно непонятно. но у нас есть и электрический ток, и ток смещения. вполне себе непротиворечиво уживаются.
электрический ток согласно нашему определению- вектор. но в электрических цепях, например, где мерность пространства вырождается до одномерных линий, соединенных в граф- векторность электрического тока вырождается в знак- в направлении выбранной ветви цепи, или против. одномерный вектор- это просто знаковый скаляр. а в двумерных пленках мы вполне себе нормально электрический ток учитываем как двумерную векторную величину, вводим там всякие плотности тока и отлично с ними работаем методами матфизики, ставим всякие краевые задачи и решаем их с помощью функиций Грина. Трехмерные электрические токи считают, в физике плазмы например, в МГД-генераторах всяких. там тоже все работает строго по физике, но расчеты- сложные.
Барашки на морских волнах подразумевают дискретность?
Мне кажется любая волна дискретна, если её рассмотреть как набор из пика и ямы.
у нас есть электромагнитное поле- размазанное по всему пространству поле векторных величин напряженностей двух компонент- вектора E и B. эти векторные компоненты поля взаимодействуют с зарядами, находящимися и движущимися в этом поле (мы в эксперименте видим это). Напряженности E и B не квантованы и могут иметь любое значение. В добавок, эти векторы могут меняться с течением времени в любой точке пространства. Но теперь вот интересно- любые изменения какой-либо компоненты поля автоматически ведут к тому, что начинает меняться другая компонента поля в этой же точке и рядом, и эти изменения начинают распространяться по пространству. А теперь самое сложно- эти изменения распространяются не как попало, а согласно в первом приближении- уравнениям Максвелла в виде волн, а во втором, более точном приближении- в виде не просто волн, а в виде особенных, квантованных волн, не каких попало колебаний, а только определенных колебаний, у которых энергия волны, ее длина и амплитуда колебаний строго друг с другом увязаны соотношением E=hv. Собственно, на вот этом вот переходе от понятных Максвелловских синусоидальных гладких волн к непонятным квантованным фотонам- все и ломается в нормальных человеческих мозгах.
Порождающие поля заряды квантованы. Квантованы энергии самих зарядов на орбитах. В результате, вроде как и фронты порождаемых зарядами волн тоже должны квантоваться. А если пойти на спекуляцию и допустить, что теория квантованного пространства верна, то все поля в целом должны иметь исключительно квантовую природу.
неее, это так не работает. из квантованности зарядов никак не следует, что должна квантоваться энергия электронов на орбитах. А из того, что энергия электронов на орбитах квантована- не следует, что должны быть квантованы излучаемые ими волны. это три совершенно разных квантования. ну, пока мы думаем, что это разные квантования- у нас единой теории-то нет.
Смотрите, какая интересная штука- вот колебания струны гитары квантованы по частоте (основная мода и кратные частоты, и никаких других частот), но из этого не следует, что такая струна может излучать квантованные по амплитуде звуковые колебания- она может звучать и тихо, и громко, и в этом смысле энергия излучаемых ей волн- не квантована. Из того, что энергия на орбиталях электронов квантована- не следует, что излучаемые ими фотоны должны тоже быть квантованы по энергии. Могла бы быть вполне ситуация, когда основной переход линии Бальмера- давал бы красный свет одной интенсивности, а второй переход линии Бальмера- давал бы такой же красный свет, но меньшей интенсивности- мы бы имели две красных волны с разной энергией. но мы почему-то видим и квантование энергий энергий электронов, и квантование энергии фотонов. При этом, интересный момент- на энергии электронов мы можем влиять! мы можем прессануть, например, наш материал до диких давлений, и тогда уровни энергии электронов непрерывным образом поплывут! то есть, у них квантование не совсем квантование- излучение их при таких переходах тоже поплывет по частотам. Но вот энергии фотонов мы изменить никак не можем вообще- hv, и только. И амплитуды напряженности электромагнитного поля тоже не квантованы у нас- нет такого, что поле может быть только вот 1 гаусс или 2 гаусса, а 1.5 не может- нет, оно может иметь строго любую напряженность. а вот заряд- только кратный электрону, и то, местами даже не самому электрону, а 1/3 от него. :-)
Тут не надо никакого корпускулярно-волнового дуализма вообще. Фотоны соответствующие гигагерцовому диапазону - это, в нашем понимании, 100% фотоны, их корпускулярные свойства вряд ли вообще возможно экспериментально зафиксировать при текущем уровне развития науки и техники.
Ну вот вам, например, известная радиолиния 21 см нейтрального водорода (частота 1,42 ГГц). Это фотоны, излучающиеся (или поглощающиеся) атомом водорода при перевороте спина электрона -- при переходе из состояния, когда спины протона и нейтрона сонаправлены, в антипараллельное состояние (при поглощении -- наоборот). Квантовая электродинамика прекрасно описывает этот процесс, разумеется в терминах испускания/поглощения квантов. И, разумеется, эта линия прекрасно наблюдается в эксперименте, она самая "громкая" в радиокосмосе.
А наблюдается ли в эксперименте "квантовость" этой линии? Ну там дробовой шум, хотя бы?
Во всём спектре наблюдается фундаментальный квантовый предел (аналог дробового шума), который проявляется как добавка к температуре антенны 0.05 кельвина на гигагерц (h/k=Tmin/f=0.05 К/ГГц). Именно из-за дискретности фотонов, даже в радиодиапазоне. Хотя, конечно, в радиодиапазоне этот источник шума почти несуществен.
Дальше вы выясните, что нет никакого дуализма, корпускул и волн. Есть некие явления природы, которые нам удобно описывать то волновыми, то дельта функциями, но все эти наши описания на суть явления влияют примерно никак..
К Вояджеру допущено мало людей. Весь этот фильм про его спасение может оказаться художественным
Хм, Вы правы, без электронов - никакого радио. Собственно, электроны - тот заряд, который излучает электромагнитные волны (фотоны).
А движение протонов или позитронов чем хуже?
Чем хуже, чем хуже? Протоны - и сами тяжёлые, да ещё же, чаще всего, с прицепом. А позитроны - хрен добудешь, хрен сохранишь и хрен утилизируешь, тоже геморрой. В общем, соотношение заряд/геморрой (энергия, сложность, цена, ...) кардинально ниже.
Есть ещё вариант "дырки" от электрона, вроде бы, в полупроводниковых поделиях, может изредка встречаться.
Интересно, какую скорость передачи данных могло бы обеспечить лазерное оборудование связи вроде того, что используется на Psyche при такой мощности передатчика и расстоянии, как у Вояджера-1, и таком принимающем телескопе, как использовался для приёма данных с Psyche?
а мощностей на такой лазер у древнего вояджера бы хватило?
насколько я понимаю, радиоволны менее энергозатратные, чем свет, возможно даже на порядок (но это не точно)...
Ну во-первых не на порядок, а на много порядков. Процесс генерации лазерного излучения - с очень низким КПД.
А во-вторых, лазер на такое расстояние не добъёт - можете сами подсчитать фотоны по формуле в статье.
Не особо там КПД отличается, ГГц СВЧ усилитель тоже чуть ли не половину в тепло рассеит как и оптический источник, а вот расходимость lambda/d в плане плотности мощности у приёмника вполне может дать те самые многие порядки, причём в другую сторону, которые, однако, скомпенсируются количеством энергии на 1 фотон оптической длины волны, да и с шумами/засветкой всё возможно несколько хуже в оптическом диапазоне.
А что это за физика такая, по которой гигагерцовое излучение добъет, а лазер - нет? Так-то у лазера достижимая расходимость луча ниже на несколько порядков.
Но лазер более узко направлен
Мощность лазера на Psyche - 4Вт. С расстояния 226 млн км скорость передачи данных достигла 25 Мбит/с. Вояджер-1 в 104 раза дальше. Можно грубо прикинуть, что мощность принятого с такого расстояния сигнала будет в 10800 раз меньше, пропорционально квадрату расстояния и диаметра луча. При использовании в 5 раз более мощного 20-ваттного лазера мощность принятого сигнала будет в 2160 раз меньше, чем при связи с Psyche. Значит можно ожидать пропорционально меньшей скорости в 11,5 кбит*с, что в 72 раза больше, чем с использованием радиоканала.
Интересно, когда он последний раз отправлял фотографию? Он же сейчас наверно в основном всякую телеметрию шлет, типа уровень радиации или напряжение питания.
Известное фото https://ru.wikipedia.org/wiki/Pale_Blue_Dot было сделано в 1990 году. А если сейчас повторить? Чтобы люди снова познали тяжесть бесконечности и не расслаблялись!
У него обогрев камеры давно отключен, потому что фотографировать нечего. Нагреть и запитать камеру будет проблематично, мощности и так не хватает, можно потерять те приборы, что ещё работают.
Запаса батарей еще хватает на телеметрию и обогрев основной электроники, но на сколько?
А разве там ещё есть после стольких лет работающие батареи? Я думал, всё питается напрямую от РИТЭГа. Вообще, мне кажется, что постоянный обогрев электроники - это скорее предосторожность, чем необходимость, но предосторожность вполне обоснованная - после замерзания может и не заработать.
На тысячелетия, РИТЭГ нельзя выключить, он будет продолжать давать тепло пока не распадется последний изотоп. Деградации подвергаются термопреобразователи, потому энергетика в контексте доступного электричества страдает.
Судя по расчетам, еще на столько-же его точно хватит, вдвое дальше - вчетверо меньше фотонов. Ну и никто не мешает построить вторую антенну. Или даже в космосе развернуть их много. Ограничивает только электроника Вояджера, когда-то она окончательно откажет.
Вояджеры - святой Грааль культуры конструирования. Какая-то неправдоподобная надёжность.
Не удивлюсь, если там как и по Луне конспирологию теребят )
Именно о том, о чём статья и комментарии, давно хотелось задать вопрос, но не знал, как сформулировать. Спасибо! Вояджеры - это действительно научно-технический шедевр и образец для идущих этой же дорогой.
А вот насчёт "неправдоподобной" не соглашусь. Там было немало моментов, когда всё висело на волоске, и только инженерная изощрённость команды управления спасала положение. Так что не только исходная надёжность, заложенная в конструкцию, но и заложенные в неё же возможности ремонта "на ходу". Немного напомнило Аполлон-13.
Там еще и задержка сигнала в 1 день, а если в оба конца то 2
Когда расстояние увеличится, 160 бит в секунду можно уменьшить до 10 бит/с, соответственно увеличив число фотонов. У полупроводниковых лазеров КПД около 70%, это больше, чем у любого радиопередатчика.
увеличив число фотонов
Точнее, число фотонов на бит. Думаю, вы именно это и хотели сказать, но не смогли:) Общее число фотонов "вообще", конечно, при заданной мощности передатчика не изменяется.
С другой стороны, ничего не мешает вести передачу и на уровне сигнала меньше уровня шума, просто фотонов нужно действительно много, чтобы можно было выделить сигнал методами статистики.
Когда читаешь про космологию и подобные аппараты у меня изменяется восприятие реальности. Изменяется настроение на какой-то особый тип. Сложно детально описать. Что-то типа дежавю, но не про время, а про расстояние. Может кто-то сталкивался, как называется этот эффект? Замечали ли вы у себя такое?
В радиотехнике сложно предсказать напряжённость поля даже в условиях, приближённых к идеальным. Температурные колебания затухания элементов тракта, тепловые шумы, интерференция. А уж подсчитывать фотоны на бит - это удовольствие за пределами теории электросвязи.
ну не совсем уж за пределами, когда их становится настолько мало можно заметить вклад их дробового шума.
Совершенно верно, но иногда, увы, об этом забывают.
К примеру, в данной статье, в части "Вопрос со звёздочкой:", забыли напрочь, учли "только реликтовое микроволновое излучение... дополнительный атмосферный шум и шум в цепях..." и получили совершенно нереалистичный результат: 7,5 фотонов на бит, впрочем, как и 25 фотонов на бит для 8,3 ГГц.
И даже за 91 фотон на 2,3 ГГц есть большие сомнения. 😉
Что-то мне кажется, что делать расчеты в фотонах применительно к таким низким частотам - это скорее легкий троллинг читателей, чтобы не забывали про корпускулярно-волновую.
Кажется, что заголовок с "фотоны" и "переданный с «Вояджера-1»" в одном предложении достаточно кликбейтный. Судя по дискуссиям в комментах - сработавший )
Почему-то ожидал, что на общем фоне будет ещё и расчёт предельного расстояния, когда вообще возможно будет принимать сигнал наземными станциями.
К моменту достижения границ чувствительности наземных систем пройдёт ещё лет 5..10. А за это время выведут орбитальный ретранслятор к Луне с парусностью более 500 метров. Я верю, что пытливый разум человечества выйдет в средний космос
А еще можно не в фотоны, а в рубли перевести, через стоимость киловатт-часа. Тогда если число фотонов будет падать, а стоимость электричества расти, то уровень сигнала в рублях будет оставаться постоянным. И если заменить приемник фотонов на приемник рублей, то устойчивую связь можно поддерживать еще долгое время.
Кажется при расчете полученной мощности вы считаете что Вояджер излучает во все стороны одинаково (1/4πR²). Хотя на фотографии Вояджера видна тарелка и кажется что он изучает только в одну сторону, значит там будет линейное затухание, а не квадратичное.
Сколько фотонов принимается на бит, переданный с «Вояджера-1»?