Размышления о фотонах, их взаимодействии с веществом и зеркалах.
Листая пикабу наткнулся на пост человека, где он просил объяснить ему как фотоны отражаются от предметов. Этим постом я постараюсь дать ответ на этот вопрос.
Для начала поймем что такое фотон.
Википедия нам говорит:
Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.
Но что это значит? В квантовой теории поля(основы современной физики частиц) все взаимодействия между чем угодно и чем угодно описываются с помощью так называемых частиц переносчиков. Два взаимодействующих объекта обмениваются переносчиками и посредством этого взаимодействуют, как два играющих в мяч мальчика. Один мальчик пинает мяч, который прилетая ко второму мальчику касается его и толкает немного, то есть оказывает на него воздействие. Так вот, фотон частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Но откуда они рождаются когда два тела взаимодействуют, есть же закон сохранения энергии, закон сохранения импульса? Теперь вспомним(или узнаем:) школьную физику 11-го класса. А именно неравенство Гейзенберга.(про него мы еще раз вспомним чуть позже)
Что он нам даёт в этом случае? А то, что закон сохранения энергии может нарушаться на короткое время. Так и рождаются виртуальные фотоны, которыми и обмениваются взаимодействующие объекты.
Хорошо, но ведь мы видим свет, а значит не все фотоны виртуальны? Да, это действительно так. Углубляться в то, почему некоторые фотоны виртуальны, а некоторые реальны. Главное что бы вы уяснили - любое электромагнитное поле - это набор фотонов, виртуальных и/или реальных.
Теперь перейдем к взаимодействию фотонов с веществом. Способов взаимодействия множество, огромное. Но нам для понимания отражения фотона от чего-либо хватит одного. А именно комптоновского рассеяния(так, не бояться, сейчас все объясню). Комптоновское рассеяние - это рассеяние фотона на квантовых частицах(атомах, ядрах, протонах и так далее до бесконечности) с перераспределением энергии и импульса между частицей.
Как происходит комптоновское рассеяние? Фотон "налетает" на частицу и поглощается ей на короткое время(мы же помним про неравенство Гейзенберга, оно нам позволяет это делать) и его энергия и импульс "как бы" исчезают в частице.
Потом частица рождает новый фотон и он вылетает уже под каким-то углом к изначальному направлению(иногда и нулевым). Нам важно что он может родиться и улететь назад. При этом он отдает часть энергии и импульса частица, на которой рассеялся. Теперь надо понять, что улетая назад, фотон хоть и меняет свою энергию(а значит и длину волны), но не сильно(для фотонов видимого света и более высоких энергий это верно). Можете сесть честно руками посчитать как изменится энергия фотона при рассеянии его на покоящемся ядре назад. Закон сохранения импульса, закон сохранения энергии в помощь. Но главное что длина волны меняется не сильно для фотонов видимого диапазона.
Хорошо, мы поняли что фотон может улететь назад, рассеявшись на веществе и что любое электромагнитное поле - это фотоны.
Тогда посмотрим на зеркало внимательнее. А точнее на процесс отражения света.
Свет это что? Правильно, электромагнитная волна, а точнее электромагнитное поле. А значит много-много фотонов. Налетая на зеркало они встречаются с веществом и частицами в нем(а мы помним, что вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядра и электронов и так далее до кварков, глюонов и других петлевых поправок). Теперь вспоминаем что фотоны могут рассеиваться назад на частицах. Ух ты, у нас налетел поток фотонов и часть из них рассеялась назад и полетела обратно! Вот и отражения света от вещества! Ура, мы поняли почему мы хоть что-то видим в этом мире(не до конца, но поняли).
Стоит отдельно отметить, что на использованные свойства фотона его безмассовость не влияет, так как он на очень короткое время исчезает и потом новый фотон летящий к нам в глаз рождается.
Надеюсь не слишком сложно вышло. Если есть интересующие вас вопросы по физике - пишите, попробуй на них ответить(если они конечно будут интересные, а не решающиеся методом внимательного гугления).
Ну и напоследок задачка.
Почему в зеркале право и лево меняются местами, а верх с низом нет? Как связаны с предыдущим вопросом левые и правые тройки векторов и CPT-теорема?
Спасибо за внимание!
