Hazelhard u siebie napisał coś, co mnie poruszyło.
Przytoczę:
“Wbrew pozorom, fotony są różne, zależnie od tego jak zostały wyemitowane. Mogą być strome od strony źródła, mogą odwrotnie. Ta stromość zresztą jest tylko jedną z wielu chech fotonu. Inna, na przykład, to stopień koherencji w przestrzeni. «
www.hazelhardbis.salon24.pl/391818.html
Idzie mi o dwa pierwsze zdanie, a trzecim zajmę się później. W tych dwóch zdaniach występuje informacja ,że fotony mają rozmiary i kształt.
Czy istnieją dowody doświadczalne ,że fotony mają rozmiary i kształt, gdy rozprzestrzeniają się pomiędzy wydarzeniem emisji w źródle światła,a wydarzeniem absorpcji w detektorze fotonów? ?
Moim zdaniem - nie ma.Mogę się mylić, ale przecież są tutaj na salonie fizycy,którzy znajdują się bliżej, burzliwie rozwijającego się działu technologii zwanej «Photonics»,ja nie pracuję w tej dziedzinie,opieram się jedynie na przeglądzie literatury i na mojej wiedzy z zakresu optyki kwantowej.
Wobec tego następne pytanie: czy w optyce kwantowej rozważa się problem rozmiarów i kształtu fotonów ? Moim zdaniem – nie.
Czy stąd wynika ,że Hazelhard plecie androny? Oczywiście, nie.On musi mieć coś na myśli,coś musiał zauważyć,z czymś musi się w swojej praktyce eksploracyjnej technicznej liczyć ,bo inaczej jego placówka splajtuje.Do czegoś, to założenie o rozmiarach fotonów mu się przydaje.
Trzecie zdanie daje mi jakiś trop do zrozumienia hazelharda w jego opowieściach o rozmiarach i kształcie fotonów.Koherencja !
Przypomnę,że wiązka jest koherentna (spójna),gdy jej podobszary mają różnicę faz stałą,niezmienną w czasie.Fotony w takiej wiązce są koherentne.Koherentność wiązki światła jest bardzo trudno wytworzyć (lasery) i utrzymać, gdyż otoczenie sprawia,że następuje z czasem dekoherencja.
Można więc dla potrzeb techniki laboratoryjnej określić rozmiar przestrzenny fotonu, jeżeli :
- impulsujemy pojedynczymi fotonami(i zliczamy je w jakimś detektorze)
- wiemy, gdzie zaczyna się koherencja i kończy pojedynczego fotonu
- za szerokość «wiązki» koherentnej jednofotonowej przyjmiemy rozmiar targetu np. kropki kwantowej, na który pada foton.
Czyli określenie sensu słowa «rozmiar « fotonu byłoby zabiegiem technicznym wygodnym i przydatnym w opisie ,przewidywaniu i zastosowaniach efektów związanych z oddziaływaniem światła z elementami nanotechnologii.Na to się zgadzam,i to rozumiem.
Fotony istnieją tylko w aktach emisji i absorbcji.W fali świetlnej biegnącej, foton jest nielokalizowalny ,a tym samym nie ma rozmiaru. Dla fotonow bowiem nie ma normalnego operatora połozenia, nie
ma wiec tez normalnej interpretacji bornowskiej amplitudy funkcji falowej.
Mowienie o prawdopodobienstwie przebywania fotonu w danym
miejscu w danej chwili, jest wiec dość ryzykowne, brak bowiem
jednoznacznego przepisu jak takie prawdopodobienstwo wyliczyc (dla "zwykłych» cząstek takie przepisy są ).
Jedynie możemy powiedzieć, że prawdopodobieństwo znalezienia fotonu w takiej fali ma wartość 1 ,dla całej przestrzeni.Foton zaistnieje dopiero w akcie absorpcji lub emisji.
Przy emisji pojedynczych fotonów mamy do czynienia z impulsem falowym, a nie z falą harmoniczną.Impuls ma początek i koniec.I możliwe ,iż w tym sensie praktycy piszą i mówią o rozciągłości fotonu.
Słowo «wielkość» fotonu użyte w tytule post,u nie może jednak dotyczyć jego przestrzennych rozmiarów. Co zrobilibyśmy wtedy(gdybyśmy przypisali rozmiary fotonowi) ze statystyką Bosego_Einsteina, dzieki której tak wiele można przewidzieć co do stanów gazu fotonowego? Jak taka statystyka może wyglądać(uwzględniająca rozmiary swobodnych fotonów) ?
Pojawiłoby się pytanie :od czego zależy rozmiar fotonu? Kształt fotonu? Czy podczas biegu promienia świetlnego ten parametr przestrzenny jest stały?
A jak należałoby zmienić QED ? Przecież w elektrodynamice kwantowej (QED) wykorzystujemy konsekwentnie założenie ,że foton jest obiektem punktowym (i ładunki elektryczne też).
O fotonie wiemy tylko, iż jest porcją energii,jest kwantem promieniowania widzialnego. Jego energia:
E = h*f gdzie
h-stała Plancka ,jej wartość 6,626 * 10E(-34) [J.s]
f- częstotliwość promieniowania
Powyższy wzór ma równowazną wersję:
E = h*c/lambda , gdzie
lambda-długość fali promieniowania
Fotony najdłuższego promieniowania widzialnego, a mianowicie czerwieni mają energię
E(cz) = h*c/lambda = 6,626*10E(-34)*3*10E8 : 8*10E(-7) =2,48*10E(-19) [J]
Fotony najkrótszego promieniowania widzialnego, a mianowicie fioletu mają energię:
E(fio)= h*c/lambda = 6,626*10E(-34)*3*10E8 : 4*10E(-7)=4,96*10E(-19)[J]
Czyli energia tych ostatnich jest dwa razy wieksza od energii fotonów czerwonych.Czy to znaczy, że są dwa razy większe?
Foton nie posiada masy (cząstka bezmasowa,bozon oddziaływania),posiada jedynie pęd relatywistyczny:
P = h/lambda
Posiada również spin ( skrętność ).
Chociaż z tą wielkością przypisaną fotonowi są ogromne trudności pojęciowe.
Spin definiujemy jakowłasny moment pedu danej cząstkiw układzie, w którym cząstka spoczywa. Własny oznacza tu taki, który nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki.
Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma odpowiedni dla siebie spin.
Gdy cząstka jest bezmasowa ,a foton taką cząstką właśnie jest,można jedynie określić rzut spinu na kierunek propagacji cząstki. Matematycznie spin jest wielkością tensorową wynikającą z teorii kwantowej.
Dokładnie jest to własność związana z tensorowym charakteremfunkcji falowej, opisującej daną cząstkę, względem okreslonej grupy obrotów.
Obserwowane wartości spinu są wartościami własnymi operatora spinu. Aby dla danej cząstki otrzymać wartość jej spinu należy zadziałać tym operatorem na jej funkcję falową
Dla fotonu spin s=1 i objawia się jako polaryzacja fali elektromagnetycznej. Dla fotonu nie istnieje układ spoczynkowy. Można jedynie zmierzyć rzut spinu na kierunek propagacji fali elektromagnetycznej. Rzut ten jest równy zeru.
Niektórzy autorzy monografii amerykańskich sugerują, żeby za rozmiar fotonu przyjmować długość fali promieniowania z fotonem związaną i tym samym foton byłby jednowymiarowy.To dziwna propozycja dla mnie.
Czy to miałoby oznaczać ,iż dla każdej długości fali promieniowania elektromagnetycznego istnieją fotony? Dla fal radiowych długich (a takie są wytwarzane) miałyby rozmiary kilometrów? A co z rozkładem energii promieniowania ciała doskonale czarnego według Plancka? Unieważnić go?
Długość fali jest parametrem decydującym o wartości energetycznej fotonu i ta wartość ingeruje w wiekszości eksperymentów ze światłem.Czy to nie wystarczy?
Podobnie dziwna propozycja byłaby, gdybyśmy zaproponowali, by amplituda fali decydowała o rozmiarach fotonu.Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, wobec tego amplituda plus długość fali czyniłyby z fotonu obiekt dwuwymiarowy.No, a jak dorzucimy wektor Pointinga i powierzchnię falową, to w istocie foton staje się obiektem trójwymiarowym.
Sęk w tym ,że gdy «zatopicie się» w w sieci, to ukaże się wam prawdziwe «zoo» pomysłów,hipotez i modeli fotonu.Setki, a może tysiące spekulacyjnych prac na temat rozmiarów fotonów w wielowymiarowych przestrzeniach.Idea grawitora fotonowego pasuje jak ulał do tego «zoo nowej fizyki».
Wszystko,to ma charakter gry w «Toto» , a nuż trafię? Wszystko nie jest spójne logicznie z istniejącą optyką kwantową zweryfikowaną doświadczalnie.Wszystko burzy QED (co najmniej) i nie ma żadnych wskazówek, co do nowych eksperymentów. Jako trening w matematyce i w spekulacjach abstrakcyjnych jest wskazane.
Nawet Profesor Jadczyk w młodości wypuścił fotony w postaci pierścieni dymka z papierosa, ale chyba w dojrzałości zawodowej zaniechał tej sympatycznej i pouczającej zabawy.
Natomiast w poważnym czasopiśmiennictwie, dziesiątki prac z zakresu fotoniki w połączeniu z kwantową nanotechnologią, ale wszystkie dotyczą techniki manipulacji amplitudami prawdopodobieństw fotonów zawsze w aktach oddziaływania z materią cząstkową(najczęściej elektronami).Podobne treści oraz informacje można znaleźć w ostatnich monografiach [1,2].
Szkoła polska informatyki kwantowej (pod kierunkiem prof.prof. R.Horodeckiego i M.Żukowskiego z UG ,od początku współpracująca z zespołem prof. Zeilingera w Austrii)publikuje prace z zakresu nanotechnologii kwantowej,z nakłonem do informatyki kwantowej, a jednej z tych prac ośrodka toruńskiego UMK [3], newsy internetu polskiego nadały (w ubiegłym roku), sensacyjny charakter pisząc ,że ustalono rozmiar i kształt fotonów ale zapomniano dodać,że w aktach oddziaływania z układem nano technologii.
Jedno jest dla mnie pewne:takie zespoły i placówki jakimi kieruje na przykład p.Hazelhard , lub zespoły badawcze zwiazane z Centrum Krakowym Informatyki Kwantowej,są zdolne rozstrzygnąć – nawet po drodze,okazjonalnie- czy jest sens i kiedy, przypisywać fotonom rozmiary.Dlatego,że oni nie spekulują, lecz obserwują,rejestrują i mierzą.
Literatura
[1]R.J.Glauber,Quantum Theory of Optical Coherence,N.Y.,2007
[2]J.Garisson,R.Chiao,Quantum Optics,N.Y. 2008
[3] K.Banaszek,L.Wasilewski,Protecting an optical qubit against photon loss,Phys.Rev.,A75,042316,2007
