แสงประกอบด้วยโฟตอน โฟตอน โครงสร้างของโฟตอน หลักการเคลื่อนที่ เหตุผลในการเกิดขึ้นของฟิสิกส์ควอนตัม

โฟตอนเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลเหลือเป็นศูนย์และมีสปินเท่ากับหนึ่ง โฟตอนเป็นอนุภาคมูลฐานทั่วไปมากที่สุด นอกจากนี้ยังพบในกระแสแสงที่มองเห็นได้ ในรังสีเอกซ์ และในรูปของคลื่นวิทยุ และในคลื่นเลเซอร์ ในปี 1964 นักดาราศาสตร์วิทยุชาวอเมริกัน A. Penzias และ R. Wilson ค้นพบว่าอวกาศโลกเต็มไปด้วยคลื่นวิทยุมิลลิเมตร ซึ่งถือได้ว่าเป็นก๊าซโฟตอนเย็นที่อุณหภูมิ 2.7 K ตามแนวคิดสมัยใหม่ การแผ่รังสีนี้ ( เรียกว่ารังสีที่ระลึก) เกิดขึ้นในช่วงแรกของการพัฒนาจักรวาล เมื่อสารมีอุณหภูมิและความดันมหาศาล (ดู จักรวาลวิทยา) ความหนาแน่นเฉลี่ยของโฟตอนที่ระลึกอยู่ที่ประมาณ 500 ต่อ . จำนวนนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับจำนวนโปรตอนที่สร้างโลกรอบตัวเรา: โดยเฉลี่ยแล้วในจักรวาลจะมีโปรตอนไม่เกินหนึ่งตัวต่อ . ดังนั้น ในจักรวาล โฟตอนจึงพบได้บ่อยกว่าโปรตอนหลายพันล้านเท่า

ชะตากรรมทางประวัติศาสตร์ของโฟตอนนั้นผิดปกติ บางทีนี่อาจเป็นอนุภาคมูลฐานเพียงอย่างเดียวที่ไม่สามารถระบุผู้เขียนการค้นพบการทดลองได้ โฟตอนถูกค้นพบในทางทฤษฎีโดย M. Planck ซึ่งเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2443 ที่ประชุมสมาคมกายภาพแห่งเบอร์ลินได้แสดงสมมติฐานของเขาเกี่ยวกับการหาปริมาณพลังงานรังสี นับจากนั้นเป็นต้นมา ยุคควอนตัมก็เริ่มต้นขึ้นในวิชาฟิสิกส์

จากการพัฒนาแนวคิดของพลังค์ เอ. ไอน์สไตน์ในปี 1905 เสนอว่าแสงไม่เพียงถูกปล่อยออกมาและดูดกลืนในส่วนที่แยกจากกันเท่านั้น แต่ยังประกอบด้วยแสงเหล่านั้นด้วย มันเป็นลักษณะทั่วไปที่เป็นตัวหนาและผิดปกติ ตัวอย่างเช่น เราดื่มน้ำเป็นส่วนๆ เป็นจิบเสมอ แต่น้ำไม่ได้ประกอบด้วยการจิบทีละครั้ง ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มดูเหมือนกระแสควอนตัม

สมมติฐานของพลังค์ทำให้สามารถอธิบายรูปแบบของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก การเรืองแสง และปรากฏการณ์อื่นๆ ได้จำนวนหนึ่ง คุณสมบัติทางร่างกายของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนที่สุดในการทดลองของ A. Compton เกี่ยวกับการกระเจิงของรังสีเอกซ์ด้วยอิเล็กตรอนอิสระ (1922) เอฟเฟกต์คอมป์ตันยืนยันความถูกต้องของแนวคิดควอนตัมเกี่ยวกับการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและในฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1920 ในที่สุดก็มีอนุภาคมูลฐานใหม่เข้ามา เรียกว่าโฟตอน (จากคำภาษากรีกหมายถึง "แสง")

โฟตอนเช่นเดียวกับอนุภาคควอนตัมอื่น ๆ มีทั้งคุณสมบัติของคลื่นและร่างกายในเวลาเดียวกัน ดังนั้นในข้อพิพาทที่ลากมาเกือบสองศตวรรษระหว่างผู้สนับสนุนของคลื่นและทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายของแสง ทุกคนกลับกลายเป็นว่าถูกต้อง ทางของพวกเขาเอง ในชีวิตปกติ คุณสมบัติทางร่างกายของแสงไม่ปรากฏขึ้น เนื่องจากเราจัดการกับโฟตอนไม่ใช่ทีละตัว แต่ทันทีที่มีจำนวนมาก ซึ่งถูกมองว่าเป็นคลื่นแสง เป็นที่ทราบกันว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะเป็นความถี่วงกลม o) ความเข้มและความเร็วการแพร่กระจาย c ซึ่งมีความหมายพื้นฐานของความเร็วการแพร่กระจายที่จำกัดของปฏิสัมพันธ์ (ค่าปัจจุบัน) โฟตอนที่สอดคล้องกับคลื่นมีพลังงานและโมเมนตัม (ค่าปัจจุบันของค่าคงที่ของพลังค์ J s) ตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีสูงสุดของดวงอาทิตย์ตกกระทบแสงที่มีความยาวคลื่น K cm ซึ่งสอดคล้องกับความถี่วงกลม Hz พลังงานของโฟตอนดังกล่าวคือ J ค่าคงที่ของดวงอาทิตย์คือพลังงานที่ตกลงมาต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิวโลก เท่ากับ ซึ่งสามารถคำนวณได้ว่าโฟตอนจำนวนมากประมาณ 1 วินาที , โจมตีใน 1 วิ ในเวลาเดียวกัน ในการทดลองกับอนุภาคมูลฐาน เครื่องตรวจจับจะตรวจจับโฟตอนทีละตัว และแม้แต่ตามนุษย์ก็สามารถทำได้โดยหลักการ

จำนวนโฟตอนไม่คงที่ สามารถเกิดและถูกทำลายได้ในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ เช่น ในกระบวนการทำลายล้าง (ดูปฏิสสาร) - สัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนและโพซิตรอน - สัญลักษณ์ของโฟตอน ควอนตัมแกมมา) . ทั้งที่นี่และในเอฟเฟกต์คอมป์ตัน โฟตอนทำหน้าที่เป็นอนุภาคที่สังเกตได้จริง นอกจากนี้ โฟตอนสามารถอยู่ในสถานะเสมือนที่ไม่สามารถสังเกตได้ และมีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติของโฟตอนในฐานะอนุภาคมูลฐานมีรากฐานมาจากอิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิก โฟตอนมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า มีประจุเป็นศูนย์ (มิฉะนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองคลื่นสามารถโต้ตอบกันได้ และสนามของประจุสองประจุจะไม่เป็นผลรวมของสนามแต่ละอันแยกจากกันอีกต่อไป) โฟตอนยังไม่มีประจุอื่น กล่าวกันว่าเป็นกลางอย่างแท้จริงและ เหมือนกับปฏิสสาร ( ดูปฏิสสาร). ความเท่าเทียมกันของประจุของโฟตอนมีค่าเท่ากับ -1 ซึ่งตามมาจากข้อเท็จจริงที่ชัดเจนว่าทิศทางของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปเป็นทิศตรงข้ามเมื่อสัญญาณของประจุทั้งหมดของระบบเปลี่ยนไป การอนุรักษ์ความเท่าเทียมกันของประจุในปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับความสมมาตรระหว่างอิเล็กตรอนและปฏิปักษ์ของพวกมัน - โพซิตรอน นำไปสู่ข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ระบบอนุภาคบางระบบสามารถสลายตัวเป็นโฟตอนจำนวนคู่เท่านั้น ในขณะที่ระบบอื่นๆ สามารถสลายตัวเป็นเลขคี่เท่านั้น (ดูปฏิสสาร)

กระบวนการปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนกับอิเล็กตรอนและโพซิตรอนนั้นได้รับการศึกษาเป็นอย่างดี - นี่คือสิ่งที่เรียกว่าอิเล็กโทรไดนามิกของควอนตัม ซึ่งการทำนายได้รับการตรวจสอบในการทดลองด้วยความแม่นยำอย่างยิ่ง

มวลที่เหลือของโฟตอนเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าโฟตอนไม่สามารถหยุดหรือชะลอตัวลงได้ โดยไม่คำนึงถึงพลังงานของมัน มันถึงวาระที่จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วพื้นฐานค หากเราคิดว่าโฟตอนมีขนาดเล็ก แต่ก็ยังมีมวลจำกัด เราก็สามารถตรวจสอบผลกระทบที่สังเกตได้ซึ่งเกิดขึ้นในกรณีนี้ เช่นเดียวกับอนุภาคทั่วไป ความเร็วของโฟตอนจะต้องขึ้นอยู่กับพลังงานของพวกมัน (เช่น ตามความยาวคลื่นรังสี) และจะต้องน้อยกว่า c เสมอ โดยหลักการแล้ว ผลของการกระจายตัวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศสามารถตรวจพบได้จากการแผ่รังสีของพัลซาร์ เปรียบเสมือนรังสีสีน้ำเงินจะมาหาผู้สังเกตก่อนสีแดง ด้วยระยะทางมหาศาลที่แยกเราออกจากพัลซาร์ เวลาที่มาถึงจะต้องแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด แม้ว่าจะมีความเร็วต่างกันเล็กน้อยในลำแสงที่ต่างกัน

การปรากฏตัวของมวลส่วนที่เหลือจำกัดสำหรับโฟตอนจะนำไปสู่การปรากฏตัวของรัศมีจำกัดของการกระทำของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แท้จริงแล้ว หากประจุปล่อยโฟตอนเสมือน แสดงว่าพลังงานมีความไม่แน่นอน และตามความสัมพันธ์ของความไม่แน่นอน โฟตอนดังกล่าวสามารถดำรงอยู่ได้ชั่วคราวเท่านั้น ในช่วงเวลานี้จะครอบคลุมระยะทางไม่เกิน หลังจากนั้นจะต้องถูกประจุไฟฟ้าดูดกลืนเข้าไปอีก

8.1. พลังงานสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

สถานะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวเรโซเนเตอร์สามารถระบุได้โดยการแสดงรายการสถานะของออสซิลเลเตอร์ของสนามทั้งหมดที่สอดคล้องกับโหมดการแผ่รังสีที่อนุญาต (8.1) ความเป็นอิสระของสนามออสซิลเลเตอร์จากกันและกันทำให้สามารถแสดงสถานะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดเป็นผลคูณของสถานะของแต่ละโหมดได้ พลังงานทั้งหมดจะเท่ากับผลรวมของพลังงานในแต่ละโหมด (8.2) พลังงานของแต่ละโหมดสามารถรับค่าที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งแยกออกจากกันด้วยค่าที่เท่ากับพลังงานของควอนตัมพลังค์ (8.3) คุณสมบัตินี้ช่วยให้เราสามารถกำหนดชุดของอนุภาคให้กับแต่ละสถานะของ field oscillator อย่างเป็นทางการ ซึ่งแต่ละอันมีพลังงาน (8.3) ซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนของสถานะนี้ อนุภาคดังกล่าวเรียกว่า โฟตอน.

ปัญหาบางอย่างในทฤษฎีนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานของสเตทล่างของ field oscillators นั้นแตกต่างจากศูนย์ ที่. โหมดใดๆ จากเซตอนันต์ แม้ในกรณีที่ไม่มีโฟตอนที่สังเกตได้จริงอยู่ในนั้น แต่ก็มีพลังงานเท่ากับครึ่งหนึ่งของพลังงานของควอนตัมพลังค์ พลังงานทั้งหมดของสุญญากาศแม้ว่าจะไม่มีรังสีอยู่ก็ตาม แต่กลับกลายเป็นว่ามีขนาดใหญ่มาก ในกรณีที่อยู่ระหว่างการพิจารณา วิธีการที่มักใช้ในฟิสิกส์เพื่อกำหนดพลังงานของระบบใหม่โดยเลื่อนระดับเริ่มต้นของการอ่านดูเหมือนจะไม่ค่อยเป็นที่ยอมรับ ที่มาของค่าพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์ของสถานะตอนล่างมีความหมายทางกายภาพที่ลึกซึ้ง เนื่องจากเป็นไปตามกฎการเปลี่ยนสำหรับผู้ดำเนินการพิกัดทั่วไปและโมเมนตัม คุณสมบัตินี้ของตัวดำเนินการที่นำไปสู่คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับผลกระทบของรังสีที่เกิดขึ้นเองในท้ายที่สุด ซึ่งไม่ได้อธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัม "แบบคลาสสิก" และผลกระทบที่ "ละเอียดอ่อน" อื่นๆ จำนวนหนึ่งที่สังเกตพบในการทดลอง ตามคำศัพท์ที่แนะนำ สามารถเรียกสถานะด้านล่างที่สอดคล้องกับ "ครึ่งหนึ่งของโฟตอน" ได้ โฟตอนมืดหรือ การสั่นเป็นศูนย์ของสุญญากาศแม่เหล็กไฟฟ้า. ในเวลาเดียวกัน ควรสังเกตว่าผลลัพธ์ที่ได้รับในรูปของพลังงานขนาดใหญ่อนันต์ของสุญญากาศแม่เหล็กไฟฟ้า เห็นได้ชัดว่าไม่มีความหมายทางกายภาพ และบ่งชี้ถึงความไม่สอดคล้องภายในและความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพควอนตัมของการแผ่รังสีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

8.2. แรงกระตุ้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

โฟตอนเป็นอนุภาคที่มีสัมพัทธภาพสูง นอกจากพลังงานแล้ว ต้องมี โมเมนตัมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานโดยใช้ความสัมพันธ์แบบสัมพัทธภาพมาตรฐาน (8.4) การแสดงออกที่คาดหวังสำหรับโมเมนตัมของโฟตอนสามารถหาได้ภายในกรอบของรูปแบบของออสซิลเลเตอร์ภาคสนามที่ยอมรับในควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ รูปแบบที่ชัดเจนของตัวดำเนินการโมเมนตัม (8.5) สามารถเขียนในลักษณะที่เป็นธรรมชาติโดยการเปรียบเทียบกับนิพจน์ทั่วไปและโดยคำนึงถึงนิพจน์ที่ได้รับก่อนหน้านี้สำหรับศักย์เวกเตอร์และตัวดำเนินการภาคสนาม (7.29 - 7.30) สามารถแสดงเป็นเงื่อนไข ของตัวดำเนินการพิกัดทั่วไปและโมเมนตัมของออสซิลเลเตอร์ภาคสนาม (8.6) นิพจน์ "ถูกต้อง" สำหรับโมเมนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (8.7) ที่คาดไว้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ไม่ใช่ควอนตัม ตามมาโดยตรงจากความสัมพันธ์สุดท้าย ในทางตรงกันข้ามกับสถานการณ์ที่ขัดแย้งกับพลังงานที่พิจารณาแล้ว ในกรณีของโมเมนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากธรรมชาติเวกเตอร์ของเงื่อนไขที่รวมอยู่ในผลรวม โมเมนตัมทั้งหมดของพื้นที่ที่ไม่มีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในความหมายบางอย่างปรากฏออกมา ให้เท่ากับศูนย์

8.3. โพลาไรเซชันของรังสีและ "สปิน" ของโฟตอน

หากในกรอบของฟิสิกส์คลาสสิก แนวคิดเรื่องโพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องการความคิดเห็นพิเศษ การชี้แจงความหมายของคุณลักษณะนี้ในกรณีของคำอธิบายเกี่ยวกับร่างกายดูเหมือนจะมีความหมายมาก

แม้แต่ในภาษาของฟิสิกส์คลาสสิก สามารถให้ข้อพิจารณาหลายประการซึ่งบ่งชี้ถึงความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดระหว่างโพลาไรเซชันของรังสีและ กลับโฟตอน ซึ่งในกรณีของอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงมักจะเรียกว่า ความเฮลิตี้. เพื่ออธิบายความเชื่อมโยงระหว่างโพลาไรซ์ของรังสีกับโมเมนตัมเชิงมุมที่ถ่ายโอนโดยมัน ก็เพียงพอที่จะพิจารณากระบวนการปฏิสัมพันธ์ของอะตอมทอมสันกับการแผ่รังสีของโพลาไรซ์แบบวงกลม ด้วยการหมุนอย่างคงที่ของอิเล็กตรอนกึ่งยืดหยุ่นที่มีความถี่การหมุนของสนามไฟฟ้าของคลื่น มุมระหว่างเวกเตอร์ของความเร็วอิเล็กตรอนและความแรงของสนามจะคงที่ ในกรณีนี้ อัตราการถ่ายโอนพลังงานรังสีไปยังระบบจะกลายเป็นสัดส่วนกับอัตราการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุม (8.8) การแทนที่สูตรพลังค์สำหรับพลังงานรังสีลงในนิพจน์ผลลัพธ์ทำให้เกิดสมมติฐานว่าการฉายภาพ z ของโมเมนตัมเชิงมุมของโฟตอนที่มีโพลาไรซ์แบบวงกลมสามารถมีค่าเท่ากับค่าคงที่ของพลังค์ ในกรณีนี้ ดูเหมือนว่ามีเหตุผลที่จะกำหนดโมเมนตัมเชิงมุมที่เหมาะสมให้กับโฟตอนที่มีขนาดเท่ากับค่าคงที่หนึ่งของพลังค์

ข้อควรพิจารณาอื่นๆ ยังนำไปสู่ข้อสรุปที่คล้ายคลึงกัน โดยอิงจากความสัมพันธ์ระหว่างค่าการหมุนของระบบและคุณสมบัติการเปลี่ยนแปลงของสถานะโพลาไรซ์ของการแผ่รังสีระหว่างการหมุนของระบบพิกัด เป็นที่ชัดเจนว่าเมื่อระบบพิกัดหมุนรอบแกน z ทิศทางที่ตรงกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเอกรงค์ของระนาบ สถานะที่เป็นไปได้สองสถานะของโพลาไรเซชันเชิงเส้นจะเปลี่ยนผ่านกันและกัน (8.9) ในกรณีของสภาวะโพลาไรซ์แบบวงกลม (8.10) การหมุนของระบบพิกัดจะนำไปสู่การคูณด้วยปัจจัยเฟส (8.11) เท่านั้น ซึ่งตรงกับปัจจัยที่คล้ายคลึงกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการหมุนรอบแกน z ของระบบที่มีหน่วย หมุน เป็นคุณสมบัติของสภาวะโพลาไรซ์ที่ทำให้สามารถระบุโฟตอนของคลื่นเอกรงค์ของระนาบของโพลาไรเซชันแบบวงกลมกับโมเมนตัมเชิงมุมที่แท้จริงซึ่งเท่ากับเอกภาพ

การกำหนดการหมุนหน่วยให้กับโฟตอนนั้นค่อนข้างจะเป็นไปตามอำเภอใจ เนื่องจากปกติแล้วการหมุนจะเรียกว่าโมเมนตัมเชิงมุมภายในของอนุภาคในกรอบอ้างอิงเหล่านั้น ซึ่งสัมพันธ์กับอนุภาคที่อยู่ระหว่างการพิจารณายังคงนิ่งอยู่ เป็นการไม่มีกรอบอ้างอิงซึ่งอนุภาคสามารถหยุดนิ่งได้ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วนำไปสู่การห้ามการมีอยู่ของโฟตอนในสภาวะสมมาตรทรงกลม ด้วยเหตุนี้เองที่สถานะ |S=1, M S =0> ในกรณีของโฟตอนกลายเป็นสิ่งที่ไม่เกิดขึ้นจริงในธรรมชาติ

8.4. โมเมนตัมรวมและความเท่าเทียมกันของโฟตอน

เมื่อแก้ปัญหาปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีกับอะตอม จะสะดวกกว่าที่จะพิจารณาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นชุดของคลื่นทรงกลม ซึ่งเป็นคำตอบของสมการดาล็องแบร์ที่เขียนด้วยพิกัดทรงกลม (8.12) ในแง่หนึ่ง สมการสำหรับศักย์เวกเตอร์นี้ถือได้ว่าเป็นแอนะล็อกของสมการชโรดิงเงอร์สำหรับอิเล็กตรอน (2.4 - 2.5) สมการทั้งสองมีโครงสร้างคล้ายกันและมีกำลังสองของตัวดำเนินการโมเมนตัมเชิงมุม ความแตกต่างมีเฉพาะในกรณีที่ไม่มีคำที่มีศักย์ของคูลอมบ์ (โฟตอนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า) และในลักษณะเวกเตอร์ของสารละลายที่ต้องการ อย่างหลังต้องการการชี้แจงบางอย่าง กล่าวโดยเคร่งครัดว่า ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนในสมการชโรดิงเงอร์แบบคลาสสิกไม่ใช่สเกลาร์ เนื่องจากมีส่วนสปินที่สอดคล้องกับสถานะที่เป็นไปได้สองสถานะของโมเมนตัมเชิงมุมที่เหมาะสมของอิเล็กตรอน (สปิน 1/2) . ในแง่นี้ ความแตกต่างระหว่างศักย์เวกเตอร์ ("ฟังก์ชันคลื่น") สำหรับโฟตอนและฟังก์ชันคลื่น "สเกลาร์" (และที่จริงแล้วเป็นสององค์ประกอบ) ของอิเล็กตรอนประกอบด้วยขนาดของการหมุนของอนุภาคมูลฐานที่เปรียบเทียบเท่านั้น ควรระลึกไว้อีกครั้งว่าค่าของการหมุนเป็นตัวกำหนดจำนวนสถานะของวัตถุที่อยู่กับที่ซึ่งแปลงผ่านกันและกันในระหว่างการหมุนด้วยพิกัด

ในกรณีของการแก้ปัญหาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามคูลอมบ์ของนิวเคลียส ก็มีเหตุผลที่จะมองหาคำตอบที่อยู่กับที่ (ซึ่งขึ้นอยู่กับเวลาตามกฎฮาร์โมนิก) ของสมการนี้ในรูปของผลิตภัณฑ์ ของสองหน้าที่: รัศมีและเชิงมุม (8.13) อย่างหลัง ควรใช้ฟังก์ชันทรงกลมใดๆ ที่นำมาใช้ก่อนหน้านี้ (5.7) ที่ประกอบเป็นชุดฟังก์ชันลักษณะเฉพาะที่สมบูรณ์ของตัวดำเนินการกำลังสองโมเมนตัมเชิงมุม สารละลายที่สร้างขึ้น (8.13) ประกอบด้วยปัจจัยสองประการที่เปลี่ยนรูปภายใต้การหมุนของระบบพิกัด: ฟังก์ชันทรงกลมและเวกเตอร์โพลาไรซ์ อย่างเป็นทางการ โดยเปรียบเทียบกับปัญหาของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน คำสั่ง lฟังก์ชั่นลูก Y lmฉันต้องการเปรียบเทียบโมเมนตัมเชิงมุมของโฟตอนและเวกเตอร์โพลาไรซ์ - การหมุนของโฟตอนเท่ากับเอกภาพ (อนุภาคที่มีการหมุนเป็นเอกภาพจะทำงานในระหว่างการหมุนเหมือนเวกเตอร์คลาสสิก) โมเมนตัมทั้งหมดของโฟตอน (เช่นในกรณีของอิเล็กตรอน) จะต้องเป็นผลรวมของการโคจรและการหมุน

น่าเสียดายที่การเปรียบเทียบข้างต้นไม่น่าพอใจนักเนื่องจากมวลที่เหลือของโฟตอนมีค่าเท่ากับศูนย์ คุณลักษณะที่ชัดเจนของโฟตอนนี้ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะมีระบบพิกัดที่จะหยุดนิ่ง เป็นผลให้แนวคิดของการหมุนตามประเพณีที่กำหนดให้เป็นโมเมนตัมที่แท้จริงของโมเมนตัมของอนุภาคที่เหลือ สูญเสียความหมายของโฟตอน นอกจากนี้ยังเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดการหมุนของโฟตอนอย่างถูกต้องตามลักษณะของจำนวนสถานะที่เปลี่ยนผ่านกันและกันในระหว่างการหมุน: สถานะของการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงซึ่งจำเป็นสำหรับโฟตอนจะต้องเลือกเสมอ ทิศทางเดียวในอวกาศ การเปลี่ยนแปลงในระหว่างการหมุนจะหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในเวกเตอร์คลื่นของโฟตอนและด้วยเหตุนี้ จำนวนของโหมดที่สอดคล้องกัน ความเป็นไปไม่ได้ของการแยกที่ถูกต้องของโมเมนต์โคจรและโมเมนต์การหมุนของโฟตอนสามารถอธิบายได้ในภาษาอื่น: เงื่อนไขตามขวางสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากำหนดข้อจำกัดเพิ่มเติมในการวางแนวร่วมกันของเวกเตอร์คลื่นและเวกเตอร์โพลาไรซ์ ด้วยเหตุนี้ การเคลื่อนที่แบบ "โคจร" และ "สปิน" ของโฟตอนจึงไม่ถือว่าเป็นอิสระ ที่. ในกรณีของโฟตอน ปรากฎว่าเป็นไปได้ที่จะพูดถึงโมเมนตัมเชิงมุมทั้งหมดของอนุภาคเท่านั้น

นอกจากพลังงาน โมเมนตัม และโมเมนตัมรวม โฟตอนสามารถกำหนดได้ ความเท่าเทียมกันแน่นอนซึ่งกำหนดลักษณะการทำงานของฟังก์ชันคลื่นภายใต้พิกัดผกผัน การดำเนินการที่ระบุจะกลับเครื่องหมายของเวกเตอร์อวกาศสามมิติตามปกติ ฟังก์ชั่นบอลพร้อมดัชนี ล. ม=ลเมื่อกลับหัวจะมีลักษณะเหมือน 2l- สปินเนอร์ที่มีทิศทางในเชิงบวกซึ่งแต่ละคู่มีความคล้ายคลึงกับเวกเตอร์อวกาศ (8.14) ที่. ความเท่าเทียมกันของฟังก์ชันดังกล่าวจะเท่ากับ (-1)ล. เมื่อหมุนระบบพิกัด ฟังก์ชันทรงกลมที่มีดัชนีที่ระบุจะถูกแปลงผ่านชุดของฟังก์ชันทรงกลมที่เป็นไปได้ทั้งหมดของลำดับ l. เนื่องจากในกรณีที่ไม่มีการโต้ตอบที่อ่อนแอ ตัวดำเนินการผกผันกับ Hamiltonian ของระบบ มันยังสลับกับตัวดำเนินการของโมเมนตัมเชิงมุมกำลังสองซึ่งเข้าสู่นิพจน์สำหรับ Hamiltonian และด้วยเหตุนี้ด้วยตัวดำเนินการการหมุนที่เกี่ยวข้อง . เป็นผลให้ปรากฎว่าทั้งชุดของฟังก์ชันทรงกลมของคำสั่ง lมีความเท่าเทียมกัน

เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าฟังก์ชันคลื่นของโฟตอนเป็นเวกเตอร์ในธรรมชาติ (กล่าวคือ ประกอบด้วยเวกเตอร์โพลาไรซ์ ซึ่งพาริตีที่เป็นลบ) ความเท่าเทียมกันทั้งหมดของโฟตอนจึงเท่ากับ (-1) ล+1 .

8.5. อนุภาคเวกเตอร์ในสถานะที่มีโมเมนต์เชิงมุมจำนวนเต็มต่างกัน

ในการสร้างการจำแนกโฟตอนในแง่ของโมเมนตัมและความเท่าเทียมกัน ขอแนะนำให้แก้ปัญหาเสริมในการค้นหาค่าที่ยอมรับได้ของโมเมนต์รวมของอนุภาคเวกเตอร์ที่ไม่สัมพันธ์กับโมเมนตัมการโคจรที่กำหนด เป็นตัวอย่างที่ง่ายที่สุด เราสามารถพิจารณาอนุภาคเวกเตอร์ในสถานะ p (ด้วยโมเมนตัมการโคจร ล=1). สถานะพื้นฐานของระบบดังกล่าวสามารถกำหนดให้เป็นผลคูณของสถานะของโมเมนต์การโคจรและสปิน (8.15) มีเหตุผลที่จะเรียกพื้นฐานดังกล่าวว่าชุดของสถานะที่มีการคาดคะเนของโมเมนต์การโคจรและการหมุน การฉายภาพโมเมนต์รวมของระบบบนแกนตั้งยังคงถูกกำหนดตามผลของการกระทำกับสถานะของตัวดำเนินการหมุนรอบแกน z สถานะที่มีการฉายภาพบนแกน z ของโมเมนต์การโคจรและสปินเท่ากับความสามัคคีสามารถนำมาประกอบกับสถานะของพื้นฐานใหม่ด้วยโมเมนตัมทั้งหมด เจ=2และการฉายภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ มจ =+2(8.16). ที่เหลืออีก 4 สถานะจากกลุ่มกับ เจ=2เป็นการรวมกันเชิงเส้นแบบสมมาตรของสถานะพื้นฐานเริ่มต้น (8.15) โดยมีผลรวมของการคาดคะเนของโมเมนต์โคจรและโมเมนต์การหมุนเท่ากัน (8.17) ง่ายต่อการตรวจสอบการยืนยันครั้งสุดท้ายโดยใช้ตัวดำเนินการหมุนตามอำเภอใจบนสถานะ |j=2, m=2>อันเป็นผลมาจากการที่สถานะที่ระบุควรเปลี่ยนเป็นการรวมเชิงเส้นของกลุ่มสถานะพื้นฐานใหม่ของรูปแบบ |j=2,M j >(8.18). ทั้งกลุ่มนี้สอดคล้องกับสถานะที่เป็นการรวมเชิงเส้นที่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ของชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งหมดของสปินเนอร์สี่ตัวที่ถ่ายด้วยปัจจัยน้ำหนักเดียวกัน ในทางกลับกัน จากชุดค่าผสมเชิงเส้นเหล่านี้ มันง่ายที่จะเขียนสถานะของพื้นฐานดั้งเดิมด้วยการฉายภาพบางอย่างของทั้งสองช่วงเวลา

ชุดค่าผสมเชิงเส้นต้านสมมาตรที่เหลือของสถานะของพื้นฐานเก่าด้วย |M|

ที่. จากชุดของผลคูณของรัฐ 9 รายการที่มีการคาดคะเนโมเมนต์บางอย่าง เป็นไปได้ที่จะสร้างสถานะพื้นฐานใหม่จำนวนเท่ากันด้วยค่าที่แน่นอนของโมเมนต์รวมและการคาดคะเนของมัน ตามกฎทางกลของควอนตัมสำหรับการเพิ่มโมเมนต์ทั้งหมด ชุดของสถานะที่สร้างขึ้นใหม่ประกอบด้วยโมเมนต์ทั้งหมดที่วางอยู่ในช่วงตั้งแต่ |l-s|ถึง l+s

8.6. การจำแนกโฟตอน

ชุดของสถานะที่มีโมเมนตัมรวมตามรายการโดยอัลกอริทึม (8.15) สำหรับอนุภาคเวกเตอร์กลายเป็นความซ้ำซ้อนสำหรับโฟตอนที่ไม่มีสถานะ "ตามยาว" โดยมีเวกเตอร์โพลาไรซ์กำกับไปตามเวกเตอร์คลื่น ในการเปิดเผยสถานะ "พิเศษ" ของโพลาไรเซชันตามยาว จะเป็นประโยชน์ในการสร้างความเท่าเทียมกัน เพื่อให้คุณสมบัติทางกายภาพของโฟตอน "ตามยาว" สมมุติฐานยังคงไม่เปลี่ยนแปลง การแปลงสมมาตรที่ทำกับโฟตอนไม่ควรส่งผลกระทบต่อเวกเตอร์คลื่น (และเวกเตอร์โพลาไรซ์ขนานกับมัน) ที่. มีเพียงการหมุนรอบเวกเตอร์คลื่นเท่านั้นที่ทำได้ อันเป็นผลมาจากการที่วัตถุต้องแสดงคุณสมบัติสมมาตรที่สอดคล้องกับโมเมนต์รวมของมัน เจ. ที่. ส่วนพิกัดของฟังก์ชันคลื่นโฟตอนต้องมีฟังก์ชันทรงกลมของคำสั่ง j เมื่อกลับพิกัดที่ไม่ส่งผลต่อทิศทางของเวกเตอร์ k, ฟังก์ชันทรงกลมเป็นตัวกำหนดความเท่าเทียมกันของฟังก์ชันคลื่นโฟตอนทั้งหมด - (-1) เจ. เป็นสถานะที่มีความเท่าเทียมกันซึ่งกลายเป็น "ฟุ่มเฟือย" และควรถูกขีดฆ่าออกจากรายการสถานะของโฟตอนที่เป็นไปได้ทั้งหมด:

ระเบียบวิธีของฟิสิกส์สมัยใหม่ซึ่งเกิดขึ้นจาก "การก้าวกระโดด" ของทฤษฎีสัมพัทธภาพ นำไปสู่การสั่นคลอนของจิตใจอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนและการเกิดขึ้นของทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์มากมายที่มีพื้นฐานอยู่บนนั้น เหมือนกับความเพ้อฝันของนักวิชาการในยุคกลาง

ตัวอย่างเช่น ศาสตราจารย์ Veinik ซึ่งขึ้นชื่อในเรื่องที่ต้องทนทุกข์จากการวิพากษ์วิจารณ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (เขาแค่เยาะเย้ยมัน) เขียนใน "Thermodynamics" - ตำราสำหรับนักเรียน: "... ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของกลศาสตร์ควอนตัมคือการขาดแนวคิดในการชี้นำ ซึ่งจะทำให้สามารถตัดสินโครงสร้างของอนุภาคได้ ผลที่ตามมา อนุภาคมูลฐานซ้ำซากเช่นโฟตอนตกไปอยู่ในหมวดพิเศษ (เห็นได้ชัดว่านี่คือแสงที่ถือว่าเป็นคลื่นมาช้านานพอๆกับสูตร อี = mc 2 ไอน์สไตน์). ในความเป็นจริง โฟตอนไม่ได้มีความแตกต่างในหลักการจากอิเล็กตรอนและอนุภาคมูลฐานอื่นๆ (ซึ่งสามารถตัดสินได้จากภาพถ่าย...) เพียงพอที่จะเข้าใจโครงสร้างของอิเล็กตรอนหรือโฟตอนเพื่อให้ได้ภาพที่สมบูรณ์ของพิภพเล็กทั้งหมดและกฎที่ควบคุมพวกมัน ตามทฤษฎีทั่วไป (Veinik - N.N. ) อนุภาคมูลฐานคือกลุ่มของไมโครชาร์จ หลังรวมถึง: มวล (สาร), ช่องว่าง (เมตร), เวลา (chronons), อิเล็กตรอน, เทอร์มอน, ค่าคงที่ของพลังค์ ฯลฯ จำนวนของอนุภาคมูลฐานที่แตกต่างกันนั้นมีมากมายมหาศาล”

ดังนั้นเราจึงเห็นว่ากาลอวกาศ อนุภาคคลื่น หลักการความไม่แน่นอน เทียบเท่ากับพลังงานมวลและ "เอนทิตี" อื่นๆ ยังคงสร้างสัตว์ประหลาดใหม่ๆ ในรูปแบบของเทอร์มอน เมรอน โครนอน และสสารอย่างไร สำหรับการถ่ายภาพ หาก Veinik แสดงภาพทางหลวงในตอนกลางคืน เขาจะกำหนด "ความธรรมดา" ของรถที่ทิ้งร่องรอยไฟหน้าไว้บนภาพถ่ายในลักษณะเดียวกัน "การหลับใหลของเหตุผลทำให้เกิดสัตว์ประหลาด" (โกย่า)

“สาเหตุของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดจะเข้าใจได้ด้วยความช่วยเหลือของการพิจารณาธรรมชาติเชิงกล มิฉะนั้นเราจะต้องละทิ้งความหวังที่จะเข้าใจสิ่งใด ๆ ในฟิสิกส์” (ไฮเกนส์ "ตำรากับแสง") แนวคิดเดียวกันนี้แสดงออกมาในรูปแบบต่างๆ โดยนักวิจัยและนักคิดที่มีชื่อเสียงที่สุดในยุคต่างๆ ได้แก่ อริสโตเติล กาลิเลโอ นิวตัน ฮุค เดส์การตส์ ดาล็องแบร์ ​​เฟรสเนล ฟาราเดย์ เฮล์มโฮลทซ์ และอื่นๆ อีกมากมาย ดังนั้น Maxwell ใน "Treatise on Electricity and Magnetism" ของเขาจึงเขียนว่า: "ในปัจจุบัน เราไม่สามารถเข้าใจการแพร่กระจาย (ปฏิสัมพันธ์ - N.N.) ในเวลาอื่นนอกเหนือจากบางอย่างเช่นการบินของสารวัสดุผ่านอวกาศหรือเป็นสถานะ ของการเคลื่อนไหวหรือความตึงเครียดในตัวกลางที่มีอยู่แล้วในอวกาศ ... แท้จริงแล้วไม่ว่าพลังงานจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งในเวลาใด จะต้องมีตัวกลางหรือสสารที่พลังงานตั้งอยู่หลังจากออกจากร่างหนึ่งไปแล้ว แต่ยังไม่ถึงอีก ... ดังนั้นทฤษฎีทั้งหมดเหล่านี้ (คลื่นปฏิสัมพันธ์และแม่เหล็กไฟฟ้า - N.N. ) นำไปสู่แนวคิดของสื่อที่การแพร่กระจายเกิดขึ้นและถ้าเรายอมรับสื่อนี้เป็นสมมติฐานฉันคิดว่ามัน ควรมีจุดยืนที่โดดเด่นในการวิจัยของเรา และควรพยายามสร้างภาพแทนการกระทำในจิตใจในทุกรายละเอียด นี่เป็นจุดมุ่งหมายคงที่ของฉันในบทความนี้".

แต่ตอนนี้ให้เราลองจินตนาการตาม Veinik การเกิดขึ้นของโฟตอน: อิเล็กตรอนที่ "ตื่นเต้น" กำลังบินบินไปตามวงโคจรและทันใดนั้น "แก่นแท้" บางอย่างก็แยกออกจากมันซึ่งไม่มีเหตุผลและ เหตุผลสำหรับสิ่งนั้นโดยไม่คำนึงถึงความเร็วและความถี่ของวัฏจักรของอิเล็กตรอนจะได้รับความถี่ของการสั่น (หลังจากคำนวณปริมาณพลังงานที่ต้องใช้แล้ว?) และมวล - จะเกิดอะไรขึ้น! ผลกระทบที่นี่ไม่ได้เกิดจากสาเหตุ และการพิจารณาทางกายภาพไม่ได้รับการสนับสนุนโดยตรรกะและกฎของกลไก แมกซ์เวลล์มี "จิตสำนึก" แบบไหนกัน!

ดังนั้น Maxwell อ้างว่าพลังงานสามารถถ่ายโอนไปยังระยะทางได้เพียงสองวิธี: ร่วมกับสสาร (มวล) หรือโดยคลื่นผ่านตัวกลาง การมีอยู่ของสสารชนิดพิเศษที่ถูกกล่าวหาว่า - สนามแม่เหล็กไฟฟ้า - เป็นผลมาจากการแทรกซึมของการคิดตามหลักวิทยาศาสตร์ในวิชาฟิสิกส์ นี่ไม่ใช่แม้แต่แคลอรี่ซึ่งค่อนข้างประสบความสำเร็จในการอธิบายพลังงานการสั่นสะเทือนของอะตอมและโมเลกุลของสสารและในขณะเดียวกันการแผ่รังสีความร้อน (แม่เหล็กไฟฟ้า) นี่เป็นเพียงความพยายามที่จะปิดบังความไม่รู้และความไร้สมรรถภาพของตนเองต่อหน้าความลึกลับของธรรมชาติ

จิตใจที่ยิ่งใหญ่ของมนุษยชาติกำลังดิ้นรนกับปริศนานี้ โดยเริ่มจากนักคิดกรีกโบราณ อาหรับโบราณ อินเดียโบราณ และนักคิดจีนโบราณ ตั้งแต่นิวตัน ฮุก ฮอยเกนส์ ซึ่งลงท้ายด้วยนักวิจัยสมัยใหม่ที่ถึงแม้พวกเขาจะประสบความสำเร็จอย่างยิ่งใหญ่ในการใช้แสง (เลเซอร์ ฯลฯ) อย่างไรก็ตาม ความรู้เกี่ยวกับแก่นแท้ของแสงนั้นยังห่างไกลจากความจริงมาก

มุมมองของนิวตันเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงนั้นขัดแย้งและไม่สอดคล้องกันอย่างมาก แม้ว่าเขาจะเป็นผู้ก่อตั้งการคิดเชิงวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง แต่ความกลัวในการเสนอสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์โดยปราศจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองและการสังเกตอย่างเพียงพอ ทำให้เขาไปสู่จุดสุดขั้วอีกประการหนึ่ง นั่นคือ การจำกัดการคิดและการขาดความสอดคล้องในข้อสรุป ดังนั้นความคิดเห็นของเขาเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของร่างกายในระยะไกลทำให้เขามีความคิดเกี่ยวกับการมีอยู่ของสื่อกลาง แต่เมื่อพิจารณาถึงธรรมชาติของแสงแล้ว เขาปฏิเสธสื่อนี้เพียงเพราะ "ไม่มีการทดลองเพียงพอซึ่งกฎแห่งการกระทำของอีเธอร์นี้จะถูกกำหนดและแสดงอย่างถูกต้อง"

แน่นอนว่าในสมัยของเขา การตั้งคำถามเกี่ยวกับคุณสมบัติและองค์ประกอบของอีเทอร์นั้นเกิดขึ้นก่อนวัยอันควร เนื่องจากแม้แต่วิทยาศาสตร์อย่างเช่น ทัศนศาสตร์ แม่เหล็กไฟฟ้า ฟิสิกส์อะตอมและโมเลกุล และอื่นๆ อีกมากมายก็หายไป และแม้แต่ในสมัยของเรา วิทยาศาสตร์เช่นนิวเคลียสของอะตอมและอนุภาคมูลฐานยังคง "ลอยอยู่ในหมอก" จะพูดอะไรเกี่ยวกับอีเธอร์ - ขั้นตอนต่อไปในโครงสร้างของสสาร?

อย่างไรก็ตาม การสังเกต ข้อเท็จจริง การทดลอง และความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของอีเธอร์มีมากขึ้นเรื่อยๆ และทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่และสำคัญทั้งหมดก็เกิดขึ้นได้ก็เพราะว่า "การสร้างจิตของการกระทำของมัน" ไอน์สไตน์และอินเฟลด์เรียกมันว่า "ป่า" สำหรับทฤษฎีการสร้าง ซึ่งสามารถลบออกได้ เพื่อสนับสนุนการมีอยู่ของหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพ แต่ตอนนี้เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการว่าวิทยาศาสตร์เช่นทัศนศาสตร์และทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นหากหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพปรากฏต่อหน้าพวกเขา

“ทฤษฎีคลื่นเอาชนะทฤษฎีการหมดอายุของนิวตันด้วยความแม่นยำเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณที่คาดเดาไม่ได้” (S. Vavilov) และไม่เพียงเท่านั้น ประการแรก ความเป็นอิสระของความเร็วของแสงจากความเร็วของแหล่งกำเนิดนั้นไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีการไหลออก นิวตันแค่เชื่อว่าความเร็วของโฟตอนจะถูกเพิ่มเข้ากับความเร็วของแหล่งกำเนิด ประการที่สอง ทฤษฎีการหมดอายุทำนายการเพิ่มขึ้นของความเร็วของแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้น ในขณะที่ทฤษฎีคลื่นของ Huygens ทำนายว่าความเร็วจะลดลง การทดลองโดยตรงเกี่ยวกับการวัดความเร็วในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งดำเนินการโดย Fizeau และ Foucault ได้ยืนยันลักษณะคลื่นของแสง

ทฤษฎีคลื่นแสงได้รับการยืนยันจากผลงานเชิงทฤษฎีและการทดลองของฟาราเดย์, แม็กซ์เวลล์, เฮิรตซ์, เลเบเดฟ และนักวิจัยคนอื่นๆ ยกตัวอย่างเช่น Maxwell ใน "Treatise ... " เขียนว่า: "... ตัวกลางที่ส่องสว่างเมื่อแสงส่องผ่านจะทำหน้าที่เป็นที่เก็บพลังงาน ในทฤษฎีคลื่นที่พัฒนาโดย Huygens, Fresnel, Young, Green และอื่นๆ พลังงานนี้ถือเป็นพลังงานส่วนหนึ่งและส่วนหนึ่งเป็นจลนศาสตร์ พลังงานศักย์นั้นถือได้ว่าเกิดจากการเสียรูปของปริมาตรเบื้องต้นของตัวกลาง ซึ่งหมายความว่าเราต้องพิจารณาว่าตัวกลางมีความยืดหยุ่น พลังงานจลน์ถือได้ว่าเกิดจากการสั่นของตัวกลาง ดังนั้น เราต้องถือว่าตัวกลางนั้นมีความหนาแน่นจำกัด ทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ใช้ในบทความนี้ตระหนักถึงการมีอยู่ของพลังงานสองประเภท - ไฟฟ้าสถิตและอิเล็กโทรคิเนติกและสันนิษฐานว่าพวกมันถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นไม่เพียง ... ในร่างกาย แต่ยังอยู่ในทุกส่วนของพื้นที่โดยรอบ .. ดังนั้น ทฤษฎีของเราจึงสอดคล้องกับทฤษฎีคลื่นที่ทั้งสองสันนิษฐานว่ามีตัวกลางที่สามารถกลายเป็นแหล่งรองรับพลังงานสองประเภทได้ ในเวลาเดียวกัน ทั้ง Maxwell และ Faraday ในฐานะคนที่มีมุมมองทางวิทยาศาสตร์อย่างกว้างๆ ชี้ให้เห็นว่าอีเธอร์ไม่เพียงจำเป็นสำหรับทฤษฎีคลื่นของแสงเท่านั้น ข้อโต้แย้งที่สำคัญมากนี้ยังคงถูกละเลยโดยนักวิจัยสมัยใหม่ อันเป็นผลมาจากความจำเป็นที่จะเห็น "ชุดใหม่ของกษัตริย์" - ความโค้งของกาลอวกาศ

นักเล่าเรื่อง Andersen เขียนเกี่ยวกับสิ่งนี้ว่า: “พวกเขาแสร้งทำเป็นช่างทอฝีมือดีและกล่าวว่าพวกเขาสามารถทอผ้าที่วิเศษเช่นนี้ได้ ซึ่งมีคุณสมบัติที่น่าทึ่ง - บุคคลใดที่นั่งผิดที่หรือโง่เขลาจะมองไม่เห็นมัน ... “ฉันไม่ได้โง่ คิดอย่างมีเกียรติ หมายความว่าฉันอยู่ผิดที่? นี่คือหนึ่งสำหรับคุณ! อย่างไรก็ตามคุณไม่สามารถแม้แต่จะแสดงให้เห็น!”

S. Vavilov เขียนว่า: "ทฤษฎีคลื่นมีชัย ดูเหมือนว่า ชัยชนะครั้งสุดท้าย... แต่ชัยชนะกลับกลายเป็นว่าก่อนเวลาอันควร... ทฤษฎีคลื่นกลับกลายเป็นว่าทำอะไรไม่ถูกก่อนกฎควอนตัมของการกระทำของแสง "

ตอนนี้เราถามตัวเองว่า: เป็นไปได้ไหมที่ข้อเท็จจริงเดียวนี้กับคนอื่น ๆ สามารถเปลี่ยนความคิดเห็นของนักวิทยาศาสตร์ได้อย่างมาก! ใช่ มีความไม่ต่อเนื่องของรังสี ใช่ โฟตอนบินเป็นอนุภาคเสาหิน แต่ไม่มีพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกันของเสียงในอากาศหรือ? หรือในทางกลับกัน: พฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่เหมือนกับเสียงใช่หรือไม่?

เฮิรตซ์และผู้ติดตามของเขามองเห็นคุณสมบัติของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งไปยังพื้นที่โดยรอบได้อย่างสมบูรณ์แบบ คลื่นทรงกลมไม่ได้แปลในอวกาศ. (อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่ได้ถูกวัดปริมาณตามที่ผู้ทรงคุณวุฒิสมัยใหม่กล่าวอ้าง เนื่องจากพวกมันไม่ได้เป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง แต่เป็นการเร่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ) เนื่องจากคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวนี้ เราจึงดูทีวีและฟังเครื่องรับวิทยุจากจุดใดๆ ของทรงกลมรอบๆ ตัวปล่อย อย่างไรก็ตาม ทันทีที่ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าข้ามขอบเขตหนึ่งในทิศทางที่เพิ่มขึ้น ทิศทางของการแผ่รังสีจะปรากฏขึ้น

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับเสียง จริงอยู่เมื่อเร็ว ๆ นี้ค้นพบคุณสมบัติของเสียงที่เกี่ยวข้องกับการผลิตอัลตราซาวนด์ ปรากฎว่าคลื่นอัลตราโซนิกมีทิศทางที่คมชัดและถือได้ว่าเป็นอนุภาคที่ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น มากสำหรับ "ความไร้อำนาจของทฤษฎีคลื่น"! ปรากฎว่าทุกครั้งที่นักวิจัยไม่สามารถอธิบายอะไรบางอย่างได้ พวกเขาตำหนิมันในกลไกแบบคลาสสิก

ดังที่ Feynman แสดงให้เห็น กฎของการแกว่งขึ้นอยู่กับความถี่ เนื่องจากธรรมชาติของกระบวนการที่เกิดขึ้นในตัวกลางนั้นขึ้นอยู่กับมัน อย่างไรก็ตาม ตัวเขาเองพอใจกับสมการของการแกว่งเท่านั้น เมื่อความดันและอุณหภูมิในคลื่นยืดหยุ่นเปลี่ยนแปลงแบบอะเดียแบติก ไม่มีนักวิจัยคนใด รวมทั้ง Feynman พิจารณาความถี่การสั่นสูงที่สัมพันธ์กับเส้นทางอนุภาคอิสระเฉลี่ย เมื่อกระบวนการที่เกิดขึ้นในกรณีนี้นำไปสู่การดูดซับความร้อน ในกรณีนี้ จะเห็นได้ชัดเจนว่าการสั่นไม่สามารถแพร่กระจายโดยคลื่นทรงกลมได้เนื่องจากการกระจายของทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละตัว มันสามารถชี้นำได้อย่างรวดเร็วเท่านั้นเนื่องจากความถี่ของการแกว่งนั้นน้อยกว่า "ความถี่" ของเส้นทางอิสระของอนุภาค

จากการเปรียบเทียบกับคุณสมบัติของอัลตราซาวนด์ สรุปได้ว่า ท้องที่นั้นไม่ขัดแย้งกับทฤษฎีคลื่นเลย ยิ่งกว่านั้นจะไม่กลายเป็นว่าอากาศมีพฤติกรรมเหมือนโลหะและอัลตราซาวนด์มีคลื่นตามขวางหรือไม่?

นอกจากพื้นที่แล้ว โฟตอนซึ่งแตกต่างจากคลื่นวิทยุมีคุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิด: พลังงานที่จ่ายอย่างเคร่งครัด คุณสมบัติของโฟตอนที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของอะตอมไม่ควรขยายไปยังสเปกตรัมทั้งหมดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และยิ่งไปกว่านั้น ค่าคงที่ของพลังค์ในฐานะคุณลักษณะของพลังงานโฟตอนไม่ควรนำมาพิจารณาในความหมายกว้างๆ อย่างที่เคยทำในทุกขั้นตอนของฟิสิกส์เมื่อเร็วๆ นี้ ค่าคงที่ของพลังค์ไม่เกี่ยวอะไรกับความไม่ต่อเนื่องของเวลา พื้นที่ และมวล

ในการเชื่อมต่อกับการจ่ายพลังงานโฟตอนอย่างเข้มงวด วิทยาศาสตร์ใหม่ได้เกิดขึ้น - กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งปัญหาที่ยังไม่ได้แก้ไขหลายประการยังคงอยู่ตั้งแต่ต้นจนถึงทุกวันนี้ ประการแรก: ทำไมอิเล็กตรอนของอะตอมจึงเคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือวงรีไม่ปล่อยโฟตอนแม้ว่าพวกมันจะมีความเร่งสู่ศูนย์กลาง? ประการที่สอง: กลไกของการปล่อยและการดูดซับโฟตอนคืออะไร?

คำถามแรกเกี่ยวข้องกับความเข้าใจผิดที่ทำซ้ำในตำราเรียนและเอกสารทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ใน "บทที่เลือกของฟิสิกส์เชิงทฤษฎี" ของ Semenchenko เราอ่านว่า: "อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสได้เป็นเวลานาน เนื่องจากตามกฎของอิเล็กโทรไดนามิกแบบคลาสสิก อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วใดๆ จะแผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ส่งผลให้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนลดลง และสุดท้ายก็ต้องตกลงไปในนิวเคลียส และไคโกรอดสกียังคำนวณใน "ฟิสิกส์สำหรับทุกคน" ในช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนตกบนนิวเคลียส - หนึ่งร้อยวินาที!

ฉันขอให้ผู้อ่านดูสมการเวเบอร์ของอิเล็กโทรไดนามิกแบบคลาสสิก ซึ่งประกอบด้วยคำศัพท์สามคำ เทอมแรกคือกฎของคูลอมบ์ ระยะที่สองคือการเปลี่ยนแปลงแรงปฏิสัมพันธ์อันเป็นผลมาจากความล่าช้าที่อาจเกิดขึ้น ระยะที่สามคือสิ่งที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อการแผ่รังสีของเรา ในที่นี้เราจะเห็นว่าสูตรเวเบอร์ประกอบด้วย สเกลาร์ระยะทางระหว่างอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ ซึ่งหมายความว่าที่ระยะห่างคงที่ระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน อนุพันธ์อันดับหนึ่งและที่สองมีค่าเท่ากับศูนย์ ดังนั้น ในกรณีนี้ ไม่น่าจะเกิดความล่าช้าและ รังสี. ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่ทุกอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วจะแผ่พลังงานออกมา อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมไม่ควรแผ่รังสี! มันวิเศษมากที่ความผิดพลาดครั้งสำคัญเช่นนี้ไม่มีใครสังเกตเห็น!

Huygens แนะนำวิธีแก้ปัญหาสำหรับคำถามที่สอง เขาแนะนำว่า: "แสงเกิดขึ้นเนื่องจากการกระแทกที่อนุภาคที่เคลื่อนที่ของร่างกายทำดาเมจกับอนุภาคของอีเธอร์" ก่อนการถือกำเนิดของความสัมพันธ์ de Broglie สำหรับความยาวคลื่น วลีของ Huygens นี้ดูเหมือนจะ "ลอยอยู่ในอากาศ" ความสัมพันธ์แบบเดอบรอกลีควรจะเป็นพื้นฐานในการศึกษาสาเหตุของการปรากฏของความสัมพันธ์ทั้งสองนั้นเอง และจากผลของคลื่นเดอบรอกลี การปรากฏตัวของโฟตอน อย่างไรก็ตาม ข้อสรุปเกี่ยวกับความไม่แน่นอนของกลศาสตร์ควอนตัมของ Born, Heisenberg และ Bohr รวมถึงการปฏิเสธอีเธอร์ที่ทำโดย Einstein ทำให้นักฟิสิกส์หลุดพ้นจากปัญหานี้

เห็นได้ชัดว่าควรสันนิษฐานว่าคลื่นเดอบรอกลีเป็นกระบวนการที่แท้จริงของการเคลื่อนที่แบบ "ผลัก" ของอนุภาค สาเหตุของการเกิดคือความล่าช้าที่ไม่สม่ำเสมอของศักยภาพ และโฟตอนเป็นส่วนหนึ่งของอีเทอร์ท้องถิ่น (ชี้ชัด) คลื่นที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดมีความถี่การสั่นแตกต่างกันเล็กน้อย (ความกว้างของเส้นสเปกตรัม ) ซึ่งสัมพันธ์กับการชะลอตัวของความเร็วอิเล็กตรอนเมื่อมันกระโดดจากวงโคจรเสถียรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง

การเคลื่อนที่แบบจ็อกกิ้งของอนุภาคอันเป็นผลมาจากความล่าช้าที่ไม่สม่ำเสมอของศักยภาพอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาอีกประเด็นหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัม - การดำรงอยู่ของวงโคจรคงที่ของอิเล็กตรอนที่ไม่ต่อเนื่อง เห็นได้ชัดว่าวงโคจรที่เสถียรนั้นเป็นผลมาจากการสั่นพ้องของวัฏจักรและการสั่นของแรงกระแทก

ดังนั้น แม้จะมีคาถามากมายของนักสัมพัทธภาพออร์โธดอกซ์ที่ไม่มีและไม่สามารถหวนกลับไปสู่ฟิสิกส์คลาสสิก, อีเธอร์, มุมมองทางกล, ความเป็นเหตุเป็นผลและเพื่อเป็นตัวแทนของคลื่นแสง เราต้องทำเช่นนี้ไม่เช่นนั้น "เราจะต้อง หมดความหวัง เข้าใจทุกอย่างในวิชาฟิสิกส์"

วรรณกรรม:

1. AI. วีนิก. อุณหพลศาสตร์ Higher School, Minsk, 1968, p. 434.
2. เอช. ไฮเกนส์. บทความเกี่ยวกับแสง ไลเดน 1703. จากลาดพร้าว ในวันเสาร์ เอ็ด จีเอ็ม Golin และ S.R. Filonovich "Classics of Physical Science", Higher School, 1989, pp. 131-140.
3. เจ.เค.แม็กซ์เวลล์. บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก เล่ม 1, 2, Oxford, 1873. จากอังกฤษ. วิทยาศาสตร์, ม., 1989.
4. I. นิวตัน. เลนส์หรือบทความเกี่ยวกับการสะท้อน การหักเห การโค้งงอ และสีของแสง ลอนดอน 1706 ทรานส์. จากลาดพร้าว เอ็ด จีเอส Landsberg, Gostekhizdat, มอสโก, 1981
5. เอสไอ วาวีลอฟ ตาและแสงแดด. วิทยาศาสตร์, ม., 1976.
6. จี. เฮิรตซ์. ในการแกว่งทางไฟฟ้าที่เร็วมาก แอน. der Ph. , ข. 31, ส. 421...448. ต่อ. กับเขา. ในวันเสาร์ เอ็ด จีเอ็ม Golin และ S.R. Filonovich "คลาสสิกของวิทยาศาสตร์กายภาพ", โรงเรียนมัธยม, 1989
7. จี. เฮิรตซ์. เกี่ยวกับคลื่นไฟฟ้าไดนามิกในอากาศและการสะท้อนกลับ แอน. der Ph. , ข. 34, ส. 609...623. ต่อ. กับเขา. ในวันเสาร์ เอ็ด จีเอ็ม Golin และ S.R. Filonovich "คลาสสิกของวิทยาศาสตร์กายภาพ", โรงเรียนมัธยม, 1989
8. อาร์. ไฟน์แมน, อาร์. เลย์ตัน, เอ็ม. แซนด์ส Feynman บรรยายเกี่ยวกับฟิสิกส์ ต่อ. from English, vol. 3, 4, Mir, M., 1976, pp. 391...398.
9. วี.ซี. เซเมนเชนโก้ บทที่เลือกของฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Enlightenment, M. , 1966, p. 131.
10. AI. คีไตโกรอดสกี้ Physics for everyone vol. 3 (Electrons), Nauka, M., 1979.

โฟตอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวลและสามารถอยู่ในสุญญากาศเท่านั้น นอกจากนี้ยังไม่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้านั่นคือประจุเป็นศูนย์ ขึ้นอยู่กับบริบทของการพิจารณา มีการตีความคำอธิบายโฟตอนที่แตกต่างกัน คลาสสิก (อิเล็กโทรไดนามิกส์) แสดงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟตอนยังแสดงคุณสมบัติของอนุภาค แนวคิดสองอย่างนี้เรียกว่า corpuscular-wave dualism ในทางกลับกัน ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์อธิบายอนุภาคโฟตอนว่าเป็นเกจโบซอนที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ในบรรดาอนุภาคทั้งหมดของจักรวาล โฟตอนมีจำนวนสูงสุด การหมุน (โมเมนต์เชิงกลไกภายใน) ของโฟตอนมีค่าเท่ากับหนึ่ง นอกจากนี้ โฟตอนสามารถอยู่ในสถานะควอนตัมได้เพียงสองสถานะเท่านั้น โดยหนึ่งในนั้นมีการฉายภาพหมุนไปในทิศทางที่แน่นอนเท่ากับ -1 และอีกสถานะหนึ่งมีค่าเท่ากับ +1 คุณสมบัติควอนตัมของโฟตอนนี้สะท้อนให้เห็นในการแสดงแบบคลาสสิกว่าเป็นแนวขวางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มวลที่เหลือของโฟตอนเป็นศูนย์ ซึ่งหมายถึงความเร็วการแพร่กระจาย ซึ่งเท่ากับความเร็วของแสง

อนุภาคโฟตอนไม่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า (ประจุ) และค่อนข้างเสถียร กล่าวคือ โฟตอนไม่สามารถสลายตัวในสุญญากาศได้เองตามธรรมชาติ อนุภาคนี้ถูกปล่อยออกมาในกระบวนการทางกายภาพหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง เช่นเดียวกับพลังงานกระโดดในนิวเคลียสของอะตอมหรืออะตอมเองจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง โฟตอนยังสามารถถูกดูดซับในกระบวนการย้อนกลับ

ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของโฟตอน

ความเป็นคู่ของคลื่น corpuscular-wave ที่มีอยู่ในโฟตอนนั้นแสดงให้เห็นในการทดลองทางกายภาพจำนวนมาก อนุภาคโฟโตนิกมีส่วนร่วมในกระบวนการคลื่นเช่นการเลี้ยวเบนและการรบกวน เมื่อขนาดของสิ่งกีดขวาง (ช่อง, ไดอะแฟรม) เทียบได้กับขนาดของอนุภาคเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เห็นได้ชัดเจนในการทดลองกับการเลี้ยวเบนของโฟตอนเดี่ยวด้วยช่องเดียว นอกจากนี้ จุดและลักษณะรูปร่างของโฟตอนยังปรากฏอยู่ในกระบวนการดูดซับและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยวัตถุที่มีขนาดน้อยกว่าความยาวคลื่นของโฟตอนมาก แต่ในทางกลับกัน การแสดงโฟตอนในฐานะอนุภาคก็ยังไม่สมบูรณ์เช่นกัน เพราะมันถูกหักล้างโดยการทดลองสหสัมพันธ์ตามสถานะที่พัวพันกันของอนุภาคมูลฐาน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะต้องพิจารณาอนุภาคโฟตอน รวมทั้งเป็นคลื่น

วิดีโอที่เกี่ยวข้อง

ที่มา:

• โฟตอน 1099: ทั้งหมดเกี่ยวกับรถ

สิ่งหลักควอนตัม ตัวเลขคือทั้งหมด ตัวเลขซึ่งเป็นคำนิยามสถานะของอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน ระดับพลังงานคือชุดของสถานะนิ่งของอิเล็กตรอนในอะตอมที่มีค่าพลังงานใกล้เคียงกัน สิ่งหลักควอนตัม ตัวเลขกำหนดระยะห่างของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียส และกำหนดลักษณะพลังงานของอิเล็กตรอนที่ครอบครองระดับนี้

ชุดของตัวเลขที่ระบุลักษณะสถานะเรียกว่า ตัวเลขควอนตัม การทำงานของคลื่นของอิเล็กตรอนในอะตอม สถานะเฉพาะของมันถูกกำหนดโดยตัวเลขควอนตัมสี่ตัว - หลัก, แม่เหล็ก, การโคจรและม้าม - โมเมนต์ของการเคลื่อนที่ของระดับประถมศึกษาที่แสดงในเชิงปริมาณ สิ่งหลักควอนตัม ตัวเลขมี n. ถ้าควอนตัมหลัก ตัวเลขเพิ่มขึ้น จากนั้นทั้งวงโคจรและพลังงานของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ยิ่งค่าของ n น้อยเท่าใด ค่าปฏิสัมพันธ์ของพลังงานของอิเล็กตรอนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนมีน้อย สถานะของอะตอมจะเรียกว่าไม่ตื่นเต้นหรือกราวด์ สถานะของอะตอมที่มีค่าพลังงานสูงเรียกว่าตื่นเต้น ในระดับสูงสุด ตัวเลขอิเล็กตรอนสามารถกำหนดได้โดยสูตร N = 2n2 เมื่ออิเล็กตรอนผ่านจากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งควอนตัมหลัก ตัวเลข. ในทฤษฎีควอนตัม ข้อความที่ว่าพลังงานของอิเล็กตรอนถูกหาปริมาณ กล่าวคือ สามารถรับได้เฉพาะค่าที่ไม่ต่อเนื่องและแน่นอนเท่านั้น หากต้องการทราบสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอม จำเป็นต้องคำนึงถึงพลังงานของอิเล็กตรอน รูปทรงของอิเล็กตรอน และพารามิเตอร์อื่นๆ จากขอบเขตของจำนวนธรรมชาติ โดยที่ n สามารถเท่ากับ 1 และ 2 และ 3 เป็นต้น ควอนตัมหลัก ตัวเลขสามารถรับค่าใดก็ได้ ในทฤษฎีควอนตัม ระดับพลังงานจะแสดงด้วยตัวอักษร ค่าของ n ด้วยตัวเลข จำนวนคาบที่ธาตุตั้งอยู่เท่ากับจำนวนระดับพลังงานในอะตอมซึ่งอยู่ในสถานะพื้นดิน ระดับพลังงานทั้งหมดประกอบด้วยระดับย่อย ระดับย่อยประกอบด้วยออร์บิทัลของอะตอมซึ่งถูกกำหนดโดยลักษณะควอนตัมหลัก ตัวเลข m n, ออร์บิทัล ตัวเลข m l และควอนตัม ตัวเลขมล. จำนวนระดับย่อยของแต่ละระดับไม่เกินค่า n สมการคลื่นชโรดิงเงอร์เป็นโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สะดวกที่สุดของอะตอม

ฟิสิกส์ควอนตัมได้กลายเป็นแรงผลักดันอย่างมากสำหรับการพัฒนาวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ 20 ความพยายามที่จะอธิบายปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่เล็กที่สุดในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง โดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม เมื่อปัญหาบางอย่างของกลศาสตร์คลาสสิกดูเหมือนไม่ละลายน้ำ ทำให้เกิดการปฏิวัติอย่างแท้จริง

เหตุผลในการเกิดขึ้นของฟิสิกส์ควอนตัม

ฟิสิกส์ - อธิบายกฎที่โลกทำงาน นิวตันหรือคลาสสิกเกิดขึ้นในยุคกลางและข้อกำหนดเบื้องต้นสามารถเห็นได้ในสมัยโบราณ มันอธิบายทุกอย่างที่เกิดขึ้นในระดับที่บุคคลรับรู้ได้อย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือวัดเพิ่มเติม แต่ผู้คนต้องเผชิญกับความขัดแย้งมากมายเมื่อพวกเขาเริ่มศึกษาจุลภาคและมหภาค เพื่อสำรวจทั้งอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นสสาร และกาแล็กซียักษ์ที่ล้อมรอบทางช้างเผือกซึ่งกำเนิดมาจากมนุษย์ ปรากฎว่าฟิสิกส์คลาสสิกไม่เหมาะกับทุกสิ่ง นี่คือลักษณะที่ปรากฏของฟิสิกส์ควอนตัม - วิทยาศาสตร์ ระบบกลควอนตัม และระบบสนามควอนตัม เทคนิคในการศึกษาฟิสิกส์ควอนตัมคือกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสนามควอนตัม พวกเขายังใช้ในสาขาฟิสิกส์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง

บทบัญญัติหลักของฟิสิกส์ควอนตัมเมื่อเปรียบเทียบกับคลาสสิก

สำหรับผู้ที่เพิ่งทำความคุ้นเคยกับฟิสิกส์ควอนตัม บทบัญญัติของมันมักจะดูไร้เหตุผลหรือไร้สาระ อย่างไรก็ตาม การเจาะลึกลงไปในพวกมัน การติดตามตรรกะนั้นง่ายกว่ามาก วิธีที่ง่ายที่สุดในการเรียนรู้หลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัมคือการเปรียบเทียบกับฟิสิกส์คลาสสิก

หากในคลาสสิกเชื่อว่าธรรมชาติไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่านักวิทยาศาสตร์จะอธิบายอย่างไร ในฟิสิกส์ควอนตัม ผลลัพธ์ของการสังเกตจะขึ้นอยู่กับวิธีการวัดที่ใช้เป็นอย่างมาก

ตามกฎของกลศาสตร์ของนิวตันซึ่งเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์คลาสสิก อนุภาค (หรือจุดวัสดุ) ในแต่ละช่วงเวลาจะมีตำแหน่งและความเร็วที่แน่นอน นี่ไม่ใช่กรณีในกลศาสตร์ควอนตัม โดยอาศัยหลักการทับซ้อนของระยะทาง กล่าวคือ ถ้าอนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในสถานะหนึ่งและอีกสถานะหนึ่ง ก็สามารถอยู่ในสถานะที่สามได้เช่นกัน ซึ่งเป็นผลรวมของสองอนุภาคก่อนหน้า (ซึ่งเรียกว่าชุดค่าผสมเชิงเส้น) ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุชัดเจนว่าอนุภาคจะอยู่ที่จุดใดในช่วงเวลาหนึ่ง เราสามารถคำนวณความน่าจะเป็นที่เธอจะอยู่ที่ใดก็ได้เท่านั้น

หากในฟิสิกส์คลาสสิก เป็นไปได้ที่จะสร้างวิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุ ดังนั้นในฟิสิกส์ควอนตัม มันจะเป็นเพียงการแจกแจงความน่าจะเป็นที่จะเปลี่ยนแปลงตามเวลา ในกรณีนี้ การกระจายสูงสุดจะอยู่ที่ตำแหน่งที่กำหนดโดยกลไกแบบคลาสสิกเสมอ! สิ่งนี้สำคัญมาก เพราะในประการแรก จะช่วยให้สามารถติดตามความเชื่อมโยงระหว่างกลศาสตร์คลาสสิกและกลศาสตร์ควอนตัม และประการที่สอง แสดงให้เห็นว่ากลไกทั้งสองไม่ขัดแย้งกัน เราสามารถพูดได้ว่าฟิสิกส์คลาสสิกเป็นกรณีพิเศษของควอนตัม

ความน่าจะเป็นในฟิสิกส์คลาสสิกปรากฏขึ้นเมื่อผู้วิจัยไม่ทราบคุณสมบัติบางอย่างของวัตถุ ในฟิสิกส์ควอนตัม ความน่าจะเป็นเป็นพื้นฐานและมีอยู่เสมอ โดยไม่คำนึงถึงระดับของความเขลา

ในกลศาสตร์คลาสสิก อนุญาตให้ใช้ค่าพลังงานและความเร็วใดๆ สำหรับอนุภาค ในขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมอนุญาตเฉพาะค่าบางอย่าง "เชิงปริมาณ" เท่านั้นที่ได้รับอนุญาต พวกเขาเรียกว่าค่าลักษณะเฉพาะซึ่งแต่ละค่ามีสถานะของตัวเอง ควอนตัมเป็น "ส่วน" ของปริมาณบางอย่างที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบได้

หนึ่งในหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัมคือหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก มันเป็นเรื่องของความจริงที่ว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะค้นหาทั้งความเร็วและตำแหน่งของอนุภาคพร้อมกัน มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถวัดได้ ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งอุปกรณ์วัดความเร็วของอนุภาคได้ดีเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งรู้ตำแหน่งของมันน้อยลงเท่านั้น และในทางกลับกัน

ความจริงก็คือในการวัดอนุภาคคุณต้อง "ดู" นั่นคือส่งอนุภาคของแสงไปในทิศทางของมัน - โฟตอน โฟตอนนี้ซึ่งผู้วิจัยรู้ทุกอย่างจะชนกับอนุภาคที่วัดได้และเปลี่ยนตัวเองและคุณสมบัติของมัน สิ่งนี้เหมือนกับการวัดความเร็วของรถที่กำลังเคลื่อนที่ การส่งรถอีกคันไปหามันด้วยความเร็วที่ทราบ จากนั้นใช้ความเร็วที่เปลี่ยนแปลงและวิถีโคจรของรถคันที่สอง ให้ตรวจสอบรถคันแรก ในฟิสิกส์ควอนตัม มีการศึกษาวัตถุที่มีขนาดเล็กมากจนแม้แต่โฟตอน - อนุภาคของแสง - เปลี่ยนคุณสมบัติของพวกมัน

โฟตอนเป็นอนุภาคมูลฐาน ซึ่งเป็นควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

พลังงานโฟตอน: ε = hv โดยที่ h = 6.626 10 -34 J s คือค่าคงที่ของพลังค์

มวลโฟตอน: m = h·v/c 2 . สูตรนี้ได้มาจากสูตร

ε = hv และ ε = m c 2 . มวลที่กำหนดโดยสูตร m = h·v/c 2 คือมวลของโฟตอนเคลื่อนที่ โฟตอนไม่มีมวลพัก (m 0 = 0) เนื่องจากไม่สามารถอยู่นิ่งได้

โมเมนตัมโฟตอน: โฟตอนทั้งหมดเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว c = 3·10 8 m/s แน่นอน โมเมนตัมของโฟตอนคือ P = m c ซึ่งหมายความว่า

P = hv/c = h/λ

4. เอฟเฟกต์ตาแมวภายนอก ลักษณะโวลต์แอมแปร์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก กฎของสโตเลตอฟ สมการของไอน์สไตน์

โฟโตอิเล็กทริกภายนอกเป็นปรากฏการณ์ของการปล่อยอิเล็กตรอนโดยสารภายใต้การกระทำของแสง

การพึ่งพากระแสของแรงดันในวงจรเรียกว่าลักษณะแรงดันกระแสของตาแมว

1) จำนวนโฟโตอิเล็กตรอน N' e หนีออกจากแคโทดต่อหน่วยเวลาเป็นสัดส่วนกับความเข้มของแสงที่ตกบนแคโทด (กฎของสโตเลตอฟ) หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง: กระแสอิ่มตัวเป็นสัดส่วนกับกำลังของการแผ่รังสีที่ตกกระทบบนแคโทด: Ń f = P/ε f.

2) ความเร็วสูงสุด V สูงสุดที่อิเล็กตรอนมีที่ทางออกจากแคโทดขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง ν เท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของมัน

3) สำหรับสารแต่ละชนิดมีความถี่จำกัดของแสง ν 0 ด้านล่างซึ่งไม่ได้สังเกตผลของโฟโตอิเล็กทริก: v 0 = A ออก / ชั่วโมง สมการของไอน์สไตน์: ε = A out + mv 2 max /2 โดยที่ ε = hv คือพลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดกลืน A out คือฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กตรอนจากสาร mv 2 max / 2 คือพลังงานจลน์สูงสุดของ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา

อันที่จริงสมการของไอน์สไตน์เป็นรูปแบบหนึ่งของการเขียนกฎการอนุรักษ์พลังงาน กระแสไฟฟ้าในโฟโตเซลล์จะหยุดหากโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาทั้งหมดช้าลงก่อนที่จะถึงขั้วบวก ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องใช้แรงดันย้อนกลับ (หน่วงเวลา) u กับโฟโตเซลล์ซึ่งพบค่าจากกฎการอนุรักษ์พลังงานเช่นกัน:

|e|u s = mv 2 สูงสุด /2.

5. แรงดันไฟ

ความดันแสงคือแรงกดที่เกิดจากแสงตกบนพื้นผิวของร่างกาย

หากเราถือว่าแสงเป็นกระแสของโฟตอน ดังนั้น ตามหลักการของกลศาสตร์คลาสสิก เมื่ออนุภาคกระทบร่างกาย พวกมันจะต้องถ่ายเทโมเมนตัม กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ออกแรงกด ความดันนี้บางครั้งเรียกว่าความดันรังสี ในการคำนวณความดันแสง คุณสามารถใช้สูตรต่อไปนี้:

พี = W/c(1+ พี) โดยที่ W คือปริมาณของพลังงานการแผ่รังสีที่ตกกระทบตามปกติบนพื้นผิว 1 ม. 2 ใน 1 วินาที c คือความเร็วแสง พี- ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน

หากแสงตกกระทบเป็นมุมปกติ ความดันสามารถแสดงได้โดยสูตร:

6. คอมป์ตัน - เอฟเฟกต์และคำอธิบาย

เอฟเฟกต์คอมป์ตัน (เอฟเฟกต์คอมป์ตัน) เป็นปรากฏการณ์ของการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอน

สำหรับการกระเจิงโดยอิเล็กตรอนที่อยู่นิ่ง ความถี่ของโฟตอนที่กระจัดกระจายคือ:

มุมกระเจิงอยู่ที่ไหน (มุมระหว่างทิศทางของการแพร่กระจายโฟตอนก่อนและหลังการกระเจิง)

ความยาวคลื่นคอมป์ตันเป็นลักษณะพารามิเตอร์มิติความยาวของกระบวนการควอนตัมสัมพัทธภาพ

λ C \u003d h / m 0 e c \u003d 2.4 ∙ 10 -12 m - ความยาวคลื่นคอมป์ตันของอิเล็กตรอน

คำอธิบายของเอฟเฟกต์คอมป์ตันเป็นไปไม่ได้ภายในกรอบของอิเล็กโทรไดนามิกแบบคลาสสิก จากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวัตถุต่อเนื่องและไม่ควรเปลี่ยนความยาวคลื่นอันเป็นผลมาจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนอิสระ เอฟเฟกต์คอมป์ตันเป็นข้อพิสูจน์โดยตรงของการหาปริมาณของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรืออีกนัยหนึ่งเป็นการยืนยันการมีอยู่ของโฟตอน เอฟเฟกต์คอมป์ตันเป็นข้อพิสูจน์อีกประการหนึ่งเกี่ยวกับความถูกต้องของอนุภาคขนาดเล็กแบบคลื่นคอร์พัสคิวลาร์