Отражение света
Теория Р. Фейнмана
О явлениях отражения и преломления (прохождения) света известно с давних времен, но сущность этих явлений не ясна до сих пор.
Многие ученые пытались и пытаются понять сущность этих явлений. Одни из них пытаются объяснить эти явления, делая упор на волновую составляющую света, а другие на корпускулярное представление света, например, Р. Фейнман. Но и те, и другие оперируют с математическими объектами, поэтому у каждого получается объяснение заведомо не полноценным и никогда не получится полноценным. Если оперировать с сущностью света, то когда-нибудь описание этих явлений может принять достоверный характер.
Задача, пишущего эти строки, взглянуть на явления, описываемые Р. Фейнманом, чуть по-другому. Цитаты из трудов Р. Фейнмана выделены курсивом. В своих лекциях “КЭД - СТРАННАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА И ВЕЩЕСТВА” он пишет:
“Я буду исходить из того, что вы представляете себе свойства света в повседневных обстоятельствах – например, что свет распространяется прямолинейно, преломляется, попадая в воду, что, когда свет отражается от зеркальной поверхности, угол падения равен углу отражения, что свет можно разложить на цвета, что очень красивые цвета видны на луже, когда в нее попадает немного масла, что линза фокусирует свет и т. д. … Я собираюсь объяснить эти явления при помощи квантовой электродинамики”(стр. 17).
Но признает:
“Частичное отражение – это уже непостижимая загадка, и это была очень трудная задача для Ньютона” (стр.19).
Для стекла отражение составляет 4%. 96% света проходит через стекло. Предлагаемые гипотезы частичного отражения не устраивают Фейнмана.
“Одна из теорий, объясняющих частичное отражение от одной поверхности, предполагает, что поверхность состоит, в основном, из “дырок”, которые пропускают свет, и немногих “пятен”, которые отражают свет” (стр. 19).
“Другая возможная теория состоит в том, что фотоны имеют какой-то внутренний механизм – “колесики” и “шестеренки”, которые поворачиваются некоторым образом, - так что когда фотон “нацелен” правильно, он проходит сквозь стекло, а когда неправильно – отражается” (стр. 20).
В общем, делается вывод:
“Сколько бы мы ни старались изобрести разумную теорию, объясняющую, как фотон “решает”, проходить ли ему сквозь стекло или отскакивать назад, предсказать, как будет двигаться данный фотон, невозможно”. “Все, что мы можем предсказать – это то, что из 100 вылетевших фотонов в среднем 4 отразятся от поверхности” (стр. 20). “Природа позволяет нам вычислять только вероятности” (стр. 20).
И далее там же:
“Если частичное отражение от одной поверхности – это непостижимая загадка и трудная проблема, то частичное отражение от двух и более поверхностей совершенно ошеломляет”.
Оказывается, что количество отраженных фотонов от двух поверхностей зависит от толщины стекла и периодически меняется от 0 до 16. Как же объяснить это явление, и какие трудности возникают в этом объяснении?
“На протяжении многих лет после Ньютона частичное отражение от двух поверхностей благополучно объяснялось волновой теорией, но когда провели эксперименты, в которых на фотоумножители светили очень слабым светом, волновая теория потерпела крах. По мере того, как свет становился все более тусклым, фотоумножители продолжали издавать полновесные щелчки – только они раздавались все реже. Свет вел себя как частицы” (стр. 23).
Реакция Фейнмана на данное поведение света такое.
“Я не собираюсь объяснять, как фотоны в действительности “решают” вопрос, отскочить ли назад или пройти насквозь. Это неизвестно. (Возможно, вопрос не имеет смысла.) Я только покажу вам, как вычислить правильную вероятность того, что свет отразится от стекла данной толщины, потому что это единственное, что физики умеют делать!” (стр. 24).
И Фейнман при помощи придуманного им графического аппарата показывает, как можно описать измеренное явление. По сути это та же волновая теория, где частоту задают часы, амплитуду векторная сумма неких событий, которым приписывается определенная вероятность.
“Однако я могу гарантировать,…что любое явление, связанное со светом, которое было тщательно изучено, можно объяснить квантовой электродинамикой; хотя я буду описывать только простейшие и самые известные явления” (стр. 36).
Как же эта электродинамика объясняет, что свет должен отразиться от зеркала, и что угол падения равен углу отражения? Фейнман рисует нижеприведенную схему. На ней указаны возможные пути движения фотонов от источника S приемнику P. (Деление зеркала на зоны условное.) Стр. 41.
Устанавливается правило:
“…настоящее правило – и то, что на самом деле происходит, - гораздо проще: фотон, попадающий в детектор, имеет почти равные шансы попасть туда любым путем, так что все стрелки будут иметь почти одинаковую длину” (стр. 39).
Действительно после сложения всех стрелочек мы в этом случае получим некоторую результирующую стрелку:
“И обратите внимание – мы получили довольно длинную результирующую стрелку! Квантовая электродинамика предсказывает, что свет, действительно, должен отражаться от зеркала!” (стр. 42).
А из чего мы исходили? Из того что свет отражается от каждой точки зеркала. Если мы полагаем, что свет отражается от его частей, то следует сразу же признать, что свет должен с необходимостью отражаться от зеркала.
То что свет отражается от зеркала ни у кого не вызывает сомнения, но существуют ли объективно пути для фотонов, например, SAP или SLP? Фейнман утверждает, что да, а так ли это? Нет. Это же легко проверяется: уберите зеркало G или перекройте путь SGP и никакого света в точке P не будет. Вероятность фотону попасть в точку P будет нулевой, несмотря на множество предложенных Фейнманом путей. Об этом рассказано в статье < “ КЭД – рассказ Фейнмана, о взаимодействии света и вещества”.
“Посмотрев на график, изображающий время для каждой траектории, вы увидите, что время почти одинаково для двух соседних траекторий внизу кривой, там, где время наименьшее. … Вот почему в грубом приближении приемлемо упрощенное представление о мире, согласно которому свет идет там, где время наименьшее (и легко доказать, что там, где время наименьшее, угол падения равен углу отражения, но у меня нет времени, чтобы вам это показать) (стр. 42).
Так просто объясняет процесс отражения света и закон равенства углов падения и отражения ученый Р. Фейнман.
Как может заметить внимательный читатель, в названии труда прямо сказано “странная теория света и вещества”. В чем же заключается странность? В том, что она объясняет только то, что уже объяснено другими теориями? Или то, что в этой теории есть потенциал? Если мы объясним то, что уже известно, то эту теорию можно экстраполировать и на неизвестное. Трудно понять, что странного видит в этой теории Р. Фейнман, но для меня странность заключается в том, в начале работы автор обещает:
“Основная задача моих лекций – как можно точнее описать странную теорию взаимодействия света и вещества или, точнее, взаимодействия света и электронов”.
Вот тут бы и хотелось узнать каков механизм взаимодействия электрона и фотона. Что там у них взаимодействует? Какие их элементы участвуют в данном процессе. Констатировать, что вероятность результата этого взаимодействия такая-то почти ничего не объясняет в этом взаимодействии. Зайцу мало знать вероятность, с какой его поймает лиса или волк. Его интересует механизм ловли, чтобы вырабатывать соответствующую тактику спасения.
Упорное годами вычисление вероятности события не говорит даже о том, происходит ли что-нибудь с участниками странного взаимодействия или они остаются такими же. Действительно из 100 падающих на стекло фотонов 4 отражается, а 96 проходит через стекло, но хотелось бы знать, они остались такими же во время взаимодействия, как и до этого или их качество как-то изменилось? Фейнман предупредил, что этого наука не знает, поэтому и не думайте над этим, лучше рисуйте стрелочки.
Но я попытаюсь построить физические модели отражения и прохождения света через вещество. Удачные они или нет, время подскажет. Но то, что именно на физических явлениях надо исследовать отражение и прохождение света (да и все остальное) у меня вера несомненная.
Если исходить из устройства кванта, представленного в статьях "Kвант энергии, из чего он состоит" и "Квант энергии, как устроен и как движется", то можно представить две такие модель отражение света от одной поверхности.
Одна из них такая. Рассмотрим (мысленно) сильно увеличенную поверхность стекла. Мы увидим поверхность, устланную атомами и молекулами, точнее эти самые молекулы и атомы и создают данную поверхность. Эти молекулы и атомы лежат на этой поверхности не ровным слоем. Одни атомы выше некоторого условного уровня, другие ниже. Если вещество аморфно, то разброс превышений одних атомов над другими носит более хаотичный порядок (естественно при условии одинаковой механической обработке вещества), а если вещество кристаллическое, то порядок будет более строгий. При определенной шлифовке или отливке некоторая часть атомов будет находиться, примерно, на одном уровне.
Если мы приблизимся к атому, то увидим ядро и движущиеся вокруг него электроны. Электроны можно представлять в любом виде. Кто пожелает, может представить его в Резерфордовском виде (правда для великих ученых это не допустимо, так как, например, Фейнман полагает, что это 1910 год), а кто считает себя более продвинутым, может представлять электрон в виде некой волны с той или иной вероятностью находящейся в определенной точке. Главное не считать, что эта волна стоит на месте, а верить, что она движется по той или иной траектории вокруг ядра. И движется не хаотично, а по определенной траектории.
Мы знаем, что электрон имеет отрицательный заряд, который создает вокруг себя отрицательное электрическое поле, которое быстро затухает в макромасштабе, но в микромире это рабочая величина. В целом атом нейтрален, но поскольку электроны вокруг ядра, то вблизи орбит электронов существует повышенная напряженность поля. Она не однородна, но в среднем больше, нежели напряженность воздуха или вакуума. Если усреднить эту напряженность, то окажется, что атомы находятся в этом поле.
Электроны тела стекла полностью находятся в этом поле, а электроны поверхностных атомов, частично попадают в зону воздуха или вакуума. Точнее скажем так, электроны атома “А” в нижней точке своей орбиты находятся в поле большей отрицательной напряженности, чем в верхней точке. (Рис.1.)
Но любое изменение скорости электрона приводит электрон в возбужденное состояние. При увеличении скорости он пытается излучить фотон, а при уменьшении скорости пытается поглотить фотон.
Как только электрон на ветви “б” начинает тормозиться, он приобретает свойство поглощать фотоны. Если в это время появится фотон, электрон начнет процедуру поглощения. И тут возможны варианты.
1. Электрон оказывается резонансным данному фотону. В этом случае электрон переходит на другой устойчивый уровень и может находиться в этом положении сколь угодно долго, пока некая сила не будет его тормозить или ускорять. И эта сила как раз появляется на ветви “а”. Она будет противоположная по знаку, и требуемая ее величина будет, аккурат, в симметричной точке на этой ветви. Поглощенный фотон будет излучен и угол падения, и угол отражения будут равны. Если бы этой разгонной силы не было, то фотон бы поглотился и электрон в атоме находился бы на образовавшемся уровне. На втором витке может быть поглощен другой фотон, если позволяют ускорения и появится, именно резонансный фотон. И так до бесконечности.
2. Электрон не может при данных ускорениях приобрести резонансных свойств для данного спектра. В этом случае фотон не может замкнуться в электроне и поэтому электрон не может его удержать. И фотон начинает излучаться. В какой точке орбиты электрон излучит не резонансный фотон сказать трудно, но очевидно, что это ровно такая точка, которая изменяет направление излучения. Дальше фотон движется по нерезонансным электронам согласно гипотезе Гюйгенса, то есть прямо, поглощаясь и излучаясь промежуточными электронами.
В том случае, когда никаких фотонов нет, электрон, возбужденный для поглощения, так и будет в возбужденном состоянии, пока возбуждение не будет снято на противоположной ветви. Цикл будет повторяться все время.
Внутренние электроны находятся в одинаковых условиях, на них не воздействует внешняя пограничная среда, и свет может распространяться только прямо, в направлении, заданном пограничным электроном.
Когда в потоке фотонов некоторые окажутся резонансными для некоторых внутренних электронов, то эти фотоны будут поглощены данными электронами, электроны перейдут на следующие уровни. Световой поток уменьшится. Но ведь фотоны поступают и поступают. Где же брать резонансные электроны, чтобы они поглощали следующие порции фотонов? После того как электрон перешел на следующий уровень он уже не может поглотить такой же фотон, который перевел его на этот уровень, но он может передавать такой фотон. А передача – это возбуждение электрона.
Природа устроена так, что она сразу начинает действовать, а какой получится результат, она не знает. Поглощение фотона требует определенного времени (это и есть, коэффициент преломления). Когда фотон начинает поглощаться, электрон не знает, сможет он его поглотить, то есть резонансный ли для него этот фотон. Он просто поглощает его до конца и если место для фотона в электроне есть, то фотон поглощается и, несмотря на воздействие внешних сил (ядер и электронов), занимает другую орбиту, усиливая или ослабляя ковалентную связь. Если же фотон в процессе поглощения тянет электрон на другую орбиту, но сил мало (то есть он полностью поглотиться, а устойчивый уровень еще пока не достигнут), то внешние силы будут толкать его обратно, заставляя его излучать фотон.
По идее эти силы должны бы заставить электрон излучить последний фотон, но они помят, что они были напряжены предыдущим фотоном. Для этих сил последний уровень оказывается менее устойчивый, нежели предыдущий. По этой причине они заставят излучить не только последний, но и предпоследний фотоны. По сути это фотон удвоенной энергии, а для видимого спектра удвоение энергии обозначает переход в инфракрасный диапазон излучения. Излучится фотон, который нашим организмом воспринимается как тепловой. Теперь электрон будет готов к поглощению следующего фотона. Так вещество, нагреваясь, будет поглощать резонансные ему фотоны, уменьшая световой поток. В конце концов, наступает равновесное состояние между поглощением и излучением. Количество резонансных электронов вещества определяет прозрачность вещества.
Возможна и вторая модель отражения света от одной поверхности. В первой модели электрон и фотон были одной поляризации, поэтому электрон обязан был поглощать фотон (так природа устроена) и затем излучать его. Но если электрон и фотон разных поляризаций, то электрон не может по своей природе примерить этот фотон и если он резонансный, то поглотить и перейти на следующий уровень, а в случае не резонансности ретранслировать этот фотон. В этом случае электрон сразу, квант за квантом, отражает данный фотон.
Возвратимся в начало статьи и вспомним о моделях отражения и прохождения света через вещество. Оказывается, что “пятна” это резонансные электроны, а “дырки” это все остальное. В частности, на поверхности стекла резонансных электронов 4%, а в теле стекла их почти нет. Хотя это одни и те же электроны, но в различных условиях. “Колесики” и “шестеренки” – это магнитные и электрические поля фотона. Все немножечко правы. Зря по этому поводу Р. Фейнман впадал в пессимизм.
Как же объяснить, что количество отраженных фотонов меняется с толщиной стеклянных пластинок? Выше мы выяснили, что электроны находятся в разной степени погружения и некоторые из них включаются в режим отражения. Это может быть, как на первой поверхности, так и на второй.
Когда пластинка тонкая никакого отражения вообще нет. Приграничное поле выражено слабо, поэтому электроны тормозятся и ускоряются не значительно. С увеличением толщины стекла количество отражаемых фотонов возрастает. При определенной толщине пластины, близкой к длине волны фотона от обеих поверхностей отражается по 4 фотона, то есть 4%. Счетчик зафиксирует 8 фотонов. Как это происходит мы это и попытаемся понять.
Как и в случае отражения от одной плоскости, так и для отражения света от двух поверхностей мы рассмотрим несколько моделей. Может быть среди них не будет ни одной истинной, а может быть какая-нибудь подтвердится.
Предположим, что световая волна представляет поток фотонов по 4 кванта в каждом фотоне, а длительность фотонов и промежутки между ними одинаковы. Рассмотрим фотоны движущиеся параллельно справа налево (Рис. 2.).
В случае 1 выбрана толщина стекла равная половине длины волны излучения. В такой ситуации, когда начало фотона 2 достигает на первой поверхности стекла “прозрачного” электрона (я так условно назвал электрон, который не может поглотить фотон, а только его ретранслирует), то фотон 1 уже успеет отразится от второй поверхности и его начало тоже окажется у “прозрачного” электрона.
И вот тут начинаются чудеса компьютерной техники. При воздействии двух фотонов на электрон происходит процесс их сложения. А поскольку эти фотоны приходят на электрон с противоположных сторон, то это просто вычитание. И никакого выраженного отражения от стекла нет. Об этом рассказано в статье "Опыт Юнга". Их действия компенсируют друг друга и с электроном ничего не происходит. Грубо говоря, один фотон толкает электрон в одну сторону, а другой в противоположную. Получается, как в математике: 4-4=0 и все исчезло. Но это в математике, а в природе так не случается. Энергия никуда не исчезает. Проще можно сказать, что процессе этого вычитания образовался тепловой фотон и ушел на разогрев стекла.
Но это объяснение типично для науки, а в действительности может произойти скрытие энергии. Все говорят, что ее на много больше, нежели видимой. Такую скрытую энергию называют темной. Об этом рассказано в статьях о кванте.
Вполне возможно, что может возникнуть естественный вопрос: а с какой стати отраженный фотон должен попасть именно на этот самый электрон? Ведь по мнению Фейнмана этот самый фотон может летать где угодно. Да и по мнению Шредингера такое попадание – это вероятностный процесс.
На этот вопрос отвечу вопросом. А почему свет от фонаря на голове у шахтера, отраженный от чего-либо, попадает ему в глаза? Ведь он исходит почти из глаз. Или почему свет (радиоволны) от антенны радиолокационной станции отражается в ту же антенну? Почему?
Если кто задумается над этими вопросами, то может обратится к математическому обоснованию этого явления в виде возврата Ферми-Паста-Улама. Правда там очень сложно понять, как это все соотносится с природой, но возврат действительно существует. Это подтверждается очень простым опытом. Передатчик на Останкинской башне нагружается возвратной энергией от каждого приемника, который соединен напрямую, не через ретранслятор, с передатчиком. Чем больше приемников, тем большей мощностью должен обладать передатчик.
Ну и, наконец, можно просто поверить, что такое возможно, тем более, что оно хоть чуть подтверждено опытами. Ведь многие же верят в дуализм и суперпозицию, а они якобы подтверждаются только опытом Юнга и больше ничем.
Если толщина стекла равна 7/8 длины волны, положение 2, то фотон 1 отразится раньше и один из его квантов пройдет через “прозрачный” электрон, а остальные три прореагируют с тремя квантами фотона 2. Энергия отраженного фотона будет представлена остатком фотона в один квант. Приборы покажут, что интенсивность отраженного потока будет в четыре раза меньше падающего потока.
При толщине стекла равной 1/4 длины волны, положение 3, отраженный поток будет представлен двумя квантами. Еще тоньше стекло, положение 4, отразит три кванта. А первая поверхность может отразить фотон без потерь.
В нашем случае, при таком соотношении длины волны и длины фотона, при толщине стекла большей нежели полуволна фотон 1 и фотон 2 вообще не прореагируют. Но могут прореагировать фотон 1 и фотон 3 или какой-нибудь следующий фотон. В конце концов регулярность наступит, и она зависит от длины волны и длины фотона.
Следует заметить, что под длиной волны понимается не математический смысл с какими-то положительными и отрицательными абстрактными величинами, а реальная организация в периодические порции движения реальных, объективно существующих, порций энергии в виде фотонов. Примерно, как самолеты, заходящие волнами на бомбежку.
Если эта модель верна, то она указывает на возможность производства фотонов требуемой энергии, а это прямой путь к построению квантового компьютера. А со стрелочками Фейнмана далеко не поедешь.
Главная Вверх