3

Парадокс распространения света

Простой, но интересный момент из физики, чтобы напрячь мозги. Просьба подумать, как бы вы распутали эти противоречия.

Итак, имеем такую ситуацию.

1. Где-то в глубине космоса происходит некое событие, в результате которого появляется 2 (два) фотона света. Возникший луч света (а свет, как мы знаем, всегда распространяется по прямой) оказывается направлен прямо на Землю, которая находится на расстоянии L. Направление луча примем за ось Y. Посередине этого пути один фотон попадает в мерзкие скользкие холодные серые лапы пришельцев и они забирают его на опыты. А другой фотон долетает до Земли и оказывается в тёплых заботливых белых (неполиткорректно!) чёрных руках астрофизика для дальнейшего изучения:

2. Астрофизик начинает листать учебник и находит там такие выражения:

3. Астрофизик подставляет в первое уравнение "y = L" и получает, что напряженность электрического поля в точке L в любой момент времени равна E = E0 * cos (w*t - k*L). Отсюда он делает вывод, что свет распространяется с бесконечной скоростью, поскольку в тот самый момент, когда в далеком космосе появляется фотон, на Земле по изменению напряженности E = E0 * cos (-k*L) уже зафиксируют появление этого фотона. И это изменение напряженности можно даже использовать в хозяйстве, заставляя колебания электромагнитного поля вырабатывать ток в фотоэлементах.

4. Астрофизик обращается в Нобелевский комитет с просьбой выплатить ему энную сумму за доказательство бесконечной скорости распространения света, но там ему неполиткорректно сообщают что он дурак и выкладки его неправильные. "Но почему?!" - недоумевает наш герой. Его просят не верить всему что написано в учебнике и отправляют изучать работы Максвелла и Эйнштейна.

5. Пытливый ум нашего героя вычитывает, что свет движется с определённой скоростью, потому что это следует из уравнений Максвелла:

На этом месте наш астрофизик совсем запутывается, потому что из этих уравнений следует, что свет вовсе не движется по прямой, а одновременно распространяется по осям x, y и z. То есть световая волна является сферической и у неё нет какого-то одного выделенного направления. Соответственно, этот фотон мог быть пойман как на Земле, так и на созвездии Козерога.

6. Коллеги сочувствует тяжкому положению нашего героя и советуют ему почитать что-то про уравнение Шредингера, поскольку поведение фотона света с начала XX века было выведено из-под юрисдикции Максвелла и передано в ведение сумрачной германской науки:

7. "Ну и как отсюда следует, что свет должен двигаться по прямой?" - вопрошает наш герой - "Это же почти то же самое, уравнение опять трёхмерное и фотон точно так же мог быть пойман в созвездии Козерога?"

8. "Нуу", - отвечают ему, - "видишь ли, фотона вообще не существует до тех пор, пока его кто-то не поймал. То есть этот фотон действительно могли поймать в созвездии Козерога, и тогда луч света был бы направлен не к Земле, а к мерзким зелёным козерожцам. Про кота Шредингера слыхал?"

9. Когда бурление в голове нашего героя проходит, он тихо интересуется: "А что если.. что, если бы я поймал этот фотон не в момент времени T = L / c, а чуть позже? Ведь согласно уравнению Шредингера после того как фотон проскочил мимо, вероятность его обнаружения не падает до нуля? А значит скорость света равна c = 299 792 458 м/с лишь с некоторой вероятностью?"

10. Придя домой, наш герой продолжает буйствовать: "А что, если бы мерзкие серые инопланетяне в точке L/2 перехватили мой фотон? Значит в этот момент для меня все эти волновые уравнения перестали бы действовать? Что это вообще за волна такая, если её можно мгновенно погасить по всей Вселенной?"

Ну а что бы вы посоветовали курить нашему герою? И что упущено или напутано в рассуждениях?

Лига Физиков

503 поста2.5K подписчиков

Правила сообщества

Запрещено:
- Оскорблять участников сообщества, а так же пользователей Пикабу.
- Публиковать посты, которые не относятся к физике
- Рекламировать кого-либо, чего-либо
- Нарушать правила Пикабу.

Вы смотрите срез комментариев. Показать все
Автор поста оценил этот комментарий

Вообще, интересный вопрос: допустим, что энергия электромагнитной волны крайне мала (например в случае когда её источником является единичное столкновение элементарных частиц с выделением одного фотона).


Интуитивно понятно что в таком случае энергия электромагнитной волны будет "размазана" по всей поверхности сферической волны.


Может ли такая электромагнитная волна в принципе быть поглощена материей? Потому что материя взаимодействует лишь с отдельным сегментом сферической поверхности, суммарная энергия в которой меньше чем энергия фотона. А ЭМ энергия может поглощаться в количествах, кратных энергии одного фотона. В сферическом сегменте нет такого количества энергии, поэтому материя не сможет её поглотить. По такой логике единичные фотоны не должны поглощаться в принципе.


Или же при поглощении фотона через один небольшой сегмент сферической волны (в пределах которого происходит взаимодействие фотона с материей) мгновенно "всасывается" вся энергия электромагнитного поля?

раскрыть ветку (15)
0
Автор поста оценил этот комментарий

У тебя всё очень плохо с физикой, даже не с квантовой.

А ЭМ энергия может поглощаться в количествах, кратных энергии одного фотона.

В известной формуле "ашню" - ню может быть скольугодно малой величиной, поэтому нет ограничения на энергию.

раскрыть ветку (14)
Автор поста оценил этот комментарий

Ню также не может быть сколь угодной малой, поскольку поглощение электромагнитной энергии происходит на резонансных частотах, характерных для соответствующих атомов.

раскрыть ветку (11)
Автор поста оценил этот комментарий

Её не только атомы могут поглотить.

раскрыть ветку (10)
Автор поста оценил этот комментарий

О чём вы конкретно говорите? Какие частицы могут поглощать энергию электромагнитного поля в бесконечно малых количествах (а не квантами, как положено)?

раскрыть ветку (9)
Автор поста оценил этот комментарий

Например, электроны проводимости в металлах.


а не квантами, как положено

ну почему-же не квантами? очень даже квантами.

вот только величина абстрактного кванта никак не ограничена.

раскрыть ветку (8)
Автор поста оценил этот комментарий

Поглощение фотонов электронами проводимости - это внешний фотоэффект. Энергия поглощаемого фотона при фотоэффекте не может быть ниже определенного минимума (значения работы выхода):

https://www.nntu.ru/frontend/web/ngtu/files/org_structura/in...


вот только величина абстрактного кванта никак не ограничена.

Величина кванта СТРОГО ограничена расстояниями между энергетическими уровнями в данном конкретном атоме.

Значения hv не могут быть сколь угодно малыми, они принимают одно из нескольких фиксированных значений:

https://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?index=15&layer=3&am...

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (7)
Автор поста оценил этот комментарий

Я всё больше убеждаюсь, что ты безумно далёк от физики.

Да причем тут внешний фотоэффект? Ты дочитай википедию чуть дальше, до внутреннего фотоэффекта, может он натолкнет тебя на мысль.

раскрыть ветку (6)
0
Автор поста оценил этот комментарий

Значит будем тебя учить, чтобы ты начал хоть немного ориентироваться, где вообще физика, а где что.

Говоришь, читать википедию? Давай почитаем:

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Теоретическое объяснение законов фотоэффекта было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно этому объяснению, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию. Если поглощенная энергия превышает работу выхода электрона из вещества A, то электрон покидает вещество.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в полупроводниках и диэлектриках под действием света. В результате внутреннего фотоэффекта увеличивается концентрация носителей тока в веществе
раскрыть ветку (5)
Автор поста оценил этот комментарий

Чувак, выдыхай и не неси херню. Училка у тебя еще не выросла учить других.


К примеру, обычная металлическая антенна излучает и поглощает ЭМ энергию и делает это за счет движения электронов. Никаких ограничений на энергию эм кванта при этом нет. Можешь сделать ню настолько малым, насколько тебе позволят размеры. Возможно, этот пример подскажет тебе еще с десяток других вариантов.

раскрыть ветку (4)
0
Автор поста оценил этот комментарий

Кстати, в металлической антенне электромагнитное поле поглощают не электроны проводимости.


Поскольку изменение напряженности ЭМ поля возбуждает в замкнутом контуре металлической антенны вихревые токи, можно сказать что в данном случае ЭМ поле поглощает сама антенна и это чисто волновое явление - в отличие от поглощения ЭМ поля электронами, имеющего квантовый характер. Если материал антенны имеет не электронную, а дырочную проводимость, антенна всё равно будет поглощать ЭМ поле.

0
Автор поста оценил этот комментарий

Обычная металлическая антенна излучает и поглощает ЭМ энергию в ОПРЕДЕЛЕННОМ диапазоне частот электромагнитного излучения (радиодиапазоне).

Соответственно энергия поглощаемых квантов ограничена границами радиодиапазона.


Теперь открой ссылку, найди большую таблицу и в ней прочитай столбец "Энергия фотона, E = hv": https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоволны


Значения в этом столбце - это допустимые значения кванта ЭМ излучения, которые могут быть поглощены обычной металлической антенной. Кванты с энергией меньше этих значений уже не поглощаются.


Есть ещё вопросы?

раскрыть ветку (2)
Автор поста оценил этот комментарий

Думаю, вам стоит для начала запомнить, что в известной формуле аш (постоянная Планка) = 6,626 070 15⋅10−34 кг·м2·с−1 (Дж·с) и это константа, она не может меняться.

раскрыть ветку (1)
0
Автор поста оценил этот комментарий

Да неужели? Как это отменяет то, что я сказал выше?

Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку

Темы

Политика

Теги

Популярные авторы

Сообщества

18+

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Игры

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Юмор

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Отношения

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Здоровье

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Путешествия

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Спорт

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Хобби

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Сервис

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Природа

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Бизнес

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Транспорт

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Общение

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Юриспруденция

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Наука

Теги

Популярные авторы

Сообщества

IT

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Животные

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Кино и сериалы

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Экономика

Теги

Популярные авторы

Сообщества

Кулинария

Теги

Популярные авторы

Сообщества

История

Теги

Популярные авторы

Сообщества