Фотон или фонон
Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки [] []. Фотоны также используются в качестве элементов квантовых компьютеров [19] и наукоёмких приборов для передачи данных см. Исследование топологической фотоники поддерживает будущие достижения в области рамановской спектроскопии , которая изучает способность молекул к комбинационному рамановскому рассеянию света, и инфракрасной спектроскопии, исследующей взаимодействие инфракрасного излучения с веществами. Наука Статьи Фотонно-фононный прорыв: физики соединили два состояния вещества. Частицы в физике.
Современное название было предложено Я. Френкелем [5]. Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма , любой объект может восприниматься и как волна, и как частица квазичастица. Амплитуда волн и плотность потока соответствуют друг другу таким образом, чтобы обеспечилась одинаковость спектральной плотности мощности в обеих трактовках. В квантовой механике, концепция дуализма используется для элементарных частиц, включая электроны.
Аналогичным образом упругие волны в узком смысле слова — звук могут восприниматься как поток квазичастиц, носящих название фононов.
Типичные энергии фонона составляют от нуля до десятков мэВ. При наличии неидеальностей решётки, вводится ещё «длина свободного пробега» средняя длина движения фонона до акта рассеяния.
Важнейшей характеристикой конкретного материала является соотношение между частотой фонона и волновым вектором фонона в этом материале:. Оно носит название дисперсионного соотношения, причём для одного материала может существовать несколько «ветвей» таких соотношений.
При высоких температурах она превращается в статистику Больцмана [6]. Для получения законов дисперсии фононов в конкретной упругой среде она моделируется как набор гармонически взаимодействующих осцилляторов. Считается, что конкретный атом взаимодействует только со своими соседями.
В качестве простейших примеров обычно рассматриваются колебания прямолинейных цепочек и принимается, что атомы колеблются параллельно цепочке. Тогда потенциальная энергия:. Для этого введём преобразование:.
Опуская векторные обозначения, имеем. Акустический фонон характеризуется при малых волновых векторах линейным дисперсионным соотношением и параллельным смещением всех атомов в элементарной ячейке. Такой закон дисперсии описывает звуковые колебания решётки поэтому фонон и называется акустическим. Для трёхмерного кристалла общей симметрии существует три ветви акустических фононов. Для кристаллов высокой симметрии эти три ветви можно разделить на две ветви поперечных волн различной поляризации и продольную волну.
Поль Дирак пошёл ещё дальше [92] [93]. Он рассматривал взаимодействие между зарядом и электромагнитным полем как небольшое возмущение, которое вызывает переходы в фотонных состояниях, изменяя числа фотонов в модах при сохранении полных энергии и импульса системы.
В то время ещё не было известно, что все бозоны, включая фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Рассмотренный Дираком второй порядок приближения в рамках теории возмущений вводит понятие виртуального фотона , кратковременного промежуточного состояния электромагнитного поля; электростатическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством обмена такими виртуальными фотонами. Хотя виртуальные частицы и, в частности, виртуальные фотоны не могут наблюдаться непосредственно [] , они вносят измеримый вклад в вероятность наблюдаемых квантовых событий.
Более того, расчёты во втором и высших порядках теории возмущений иногда приводят к появлению бесконечно больших значений для некоторых физических величин. Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки [] [].
Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму; например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары [] [].
Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера []. Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц , описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения.
Вторичное квантование осуществляется введением операторов , увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии чисел заполнения на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями , вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором [].
В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние , тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:. Уравнения Максвелла, описывающие свободное электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования локальной калибровочной инвариантности поля относительно преобразования фазы как функции пространственно-временных координат [] [].
Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную , как в случае с действием или лагранжианом. Квант такого калибровочного поля должен быть безмассовым незаряженным бозоном, пока симметрия не нарушится. Поэтому фотон который как раз и является квантом электромагнитного поля рассматривается в современной физике как безмассовая незаряженная частица с целым спином.
Виртуальные фотоны , введённые в рамках квантовой электродинамики, могут также находиться в нефизических поляризационных состояниях []. В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов , осуществляющих электрослабое взаимодействие. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения.
Выход из этого затруднения был предложен Питером Хиггсом , теоретически описавшим явление спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения [].
Объединение фотона с калибровочными W - и Z -бозонами в электрослабом взаимодействии осуществили Шелдон Ли Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг , за что были удостоены Нобелевской премии по физике в году [] [] []. Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия так называемое « великое объединение ». Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона , до сих пор не были обнаружены экспериментально [].
Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину []. В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости , которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона , стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов, как аномальный дипольный момент лептонов [] и сверхтонкая структура лептонных дуплетов например, у мюония и позитрония [].
Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени см.
Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение см. Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом [].
Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра , излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца [].
Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества обратите внимание, что пример выше с временем движения фотонов от солнечного ядра к поверхности никакого отношения к коэффициенту преломления и собственной скорости фотонов не имеет.
С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её [].
В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе квазичастицами , подобными фононам и экситонам с образованием поляритона. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна [].
С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью. В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью.
Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой так называемый « медленный свет ». Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления.
То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты и её прозрачностью для излучения. Фотоны также могут быть поглощены ядрами , атомами или молекулами , спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями.
Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином , в состав которого входит ретиналь , производное ретинола витамина A , ответственного за зрение человека , как было установлено в году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками [].
Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса [].
Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора ; такие процессы являются объектом изучения фотохимии [] []. Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже для иллюстрации приведены лишь некоторые из них. Важным техническим устройством, использующим фотоны, является лазер.
Его работа основана на явлении вынужденного излучения , рассмотренного выше.
Лазеры применяются во многих областях технологии. С помощью обладающих высокой средней мощностью газовых лазеров осуществляются такие технологические процессы, как резка, сварка и плавление металлов. В металлургии они позволяют получить сверхчистые металлы. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов , гравиметров и других точных физических приборов.
Лазеры с перестраиваемой частотой например, лазер на красителях значительно улучшили разрешающую способность и чувствительность спектроскопических методов , позволив достичь наблюдения спектров отдельных атомов и ионов [].
Лазеры широко используются в быту лазерные принтеры , DVD , лазерные указки и др. Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты , в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.
По применяемым методам различают несколько типов спектрального анализа [] :. В качественном спектральном анализе определяется только состав пробы без указания на количественное соотношение компонентов. Последняя проблема решается в количественном спектральном анализе, на основании того, что интенсивность линий в спектре зависит от содержания соответствующего вещества в исследуемой пробе []. Таким образом по спектру вещества может быть определён его химический состав. Спектральный анализ — чувствительный метод, он широко применяется в аналитической химии , астрофизике , металлургии , машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.
Работа многих аппаратных генераторов случайных чисел основана на определении местоположения одиночных фотонов.
Упрощённый принцип действия одного из них сводится к следующему. Для того, чтобы сгенерировать каждый бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель. Для любого фотона существует лишь две равновероятные возможности: пройти лучеделитель или отразиться от его грани.
В зависимости от того, прошёл фотон через лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается «0» или «1» [] []. Фотоны имеют импульс , а потому при истекании из ракетного двигателя создают реактивную тягу. В связи с этим их предполагается применять в фотонных ракетных двигателях, при работе которых скорость истечения фотонов будет равна скорости света , соответственно и космические корабли с такими двигателями смогут разгоняться почти до скорости света и летать к далёким звёздам.
Однако создание таких космических кораблей и двигателей — дело далёкого будущего, поскольку в настоящее время целый ряд проблем не может быть решён даже в теории. В настоящее время считается, что свойства фотонов хорошо поняты с точки зрения теории. Стандартная модель рассматривает фотоны как калибровочные бозоны со спином, равным 1, с нулевой массой [] и нулевым электрическим зарядом последнее следует, в частности, из локальной унитарной симметрии U 1 и из опытов по электромагнитному взаимодействию.
Однако физики продолжают искать несоответствия между экспериментом и положениями Стандартной модели. Постоянно повышается точность проводимых экспериментов по определению массы и заряда фотонов.
Обнаружение хоть сколько-нибудь малой величины заряда или массы у фотонов нанесло бы серьёзный удар по Стандартной модели. Все эксперименты, проведённые до сих пор, показывают, что у фотонов нет ни электрического заряда [6] [7] [] , ни массы [] [] [] [] [] [] [] [] [] [] [].
Многие современные исследования посвящены применению фотонов в области квантовой оптики. Фотоны кажутся подходящими частицами для создания на их основе сверхпроизводительных квантовых компьютеров. Изучение квантовой запутанности и связанной с ней квантовой телепортации также является приоритетным направлением современных исследований []. Кроме этого, идёт изучение нелинейных оптических процессов и систем , в частности, явления двухфотонного поглощения, синфазной модуляции и оптических параметрических осцилляторов.
Однако подобные явления и системы преимущественно не требуют использования в них именно фотонов. Они часто могут быть смоделированы путём рассмотрения атомов в качестве нелинейных осцилляторов. Нелинейный оптический процесс спонтанного параметрического рассеяния часто используется для создания перепутанных состояний фотонов [].
Наконец, фотоны используются в оптической коммуникации, в том числе в квантовой криптографии []. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.
Это стабильная версия , отпатрулированная 24 декабря У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон значения. Основная статья: Свет. Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм и Принцип неопределённости. Основной источник: [87]. Основные статьи: Вынужденное излучение и Лазер. Основные статьи: Квантовая теория поля и Вторичное квантование.
Основные статьи: Групповая скорость и Фотохимия. Основные статьи: Применение лазеров и Спектральный анализ. Основная статья: Фотонный двигатель. Основная статья: Квантовая оптика.
Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources англ. Строкова] — М. Реликтовое излучение, с. Алексеев, А. Бонч-Бруевич , А. Боровик и др. Английский перевод доступен в Викитеке. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie нем. Zur Quantentheorie der Strahlung нем. Также Physikalische Zeitschrift , 18 , — Часть 5. Дата обращения: 8 апреля Архивировано 11 августа года.
Принцип квантового компьютера неопр. Архивировано из оригинала 19 октября года. Льюис, Гильберт Ньютон неопр. Дата обращения: 13 марта The conservation of photons англ. The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham англ. Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon… англ.
Представление о фононах широко используется в физике твердого тела [1]. Фононы называют квазичастицами, поскольку они хотя и вполне реальны, но существуют только в кристаллах: вне среды их нет. Кроме фононов есть и другие типы квазичастиц [1, 2]. Тепловые колебания решетки можно рассматривать как фононный газ, при низких температурах - идеальный [2, 3]. При очень высоких температурах решетка плавится и модель невзаимодействующих фононов неприменима: они перестают быть свободными [4, 5].
Преимущество представления о фононах состоит в том, что в рамках фононной теории свойства твердого тела рассматриваются как свойства ансамбля большого числа независимых квазичастиц фононов [5]. Все представления этой модели могут быть использованы для описания поведения кристаллической решетки. К сожалению, с помощью квантовой фонон-ной теории не возможно объяснить, что переносит энергию в структурной единице, следовательно, и понятия введенные в молекулярную физику.
Взаимосвязь фотонов и фононов мало исследована и до настоящего времени не объяснено их влияние на физические свойства твердых тел. Из этого соотношения следует, что количество квантов Больцмана ЫБ, переносящих тепловую энергию в различных средах газ, жидкость, твердое тело , пропорционально температуре. Согласно квантовой теории переносчиками тепловой энергии являются фононы, которые рождаются в данном объеме вещества и исчезают в зависимости от температуры.
Среднее число фононов определяется из соотношения [7]. Это соотношение входит в уравнение, описывающее количество теплоты, излучаемой единицей площади в единицу времени при температуре поверхности Т, что выражается уравнением Планка [8]. А из выражения 2 следует, что коэффициент при Ыф должен соответствовать энергии одного фотона при соответствующей частоте ю и температуре Т. Кроме того, из этого следует, что энергия одного фотона является функцией частоты ю.
А это уже противоречит фононной теории теплоемкости [9]. Для того чтобы рассчитать количество фононов Больцмана, которые соответствуют частоте юь необходимо е а1,Т разделить на кБ -Т так как эта. Правая часть выражения 8 есть отношение суммарного количества фотонов всех частот к кванту фонона Больцмана. В левой части количество фоно-нов Больцмана при соответствующей температуре Т.
Из этого следует, что число фононов и число квантов электромагнитного излучения фотонов должны быть связаны следующим соотношением. Таким образом, число фононов будет расти по сравнению с числом квантов фотонов, так как энергия фотонов не зависит от температуры. Полученные соотношения полностью соответствуют теории теплового излучения рис. Выражение 11 устанавливает взаимосвязь между числом фононов и суммарным количеством квантов с энергией Йю1, где ю1 изменяется от 0 до.
Другими словами квант тепловой энергии Больцмана включает в себя множество квантов электромагнитного поля фотонов с различными частотами энергиями. Из этого следует, что фононы и фотоны суть одной природы. С целью вычисления постоянной входящей в выражения 9 и 10 , приведем выражение 1 к безразмерному виду, для этого перейдем к безразмер-0 0.
Перестроим график е а,Т , представленный на рис. На рис. Разработана методика, которая дает воз- гии излучения в широком диапазоне частот и темпе-можность исследовать взаимосвязь между квантами ратуры, что позволяет записать выражение взаимо-.
Kimble, H. Kimble, M. Dagenais, L. Мочалов, А. Гайша, К.
