Ещё немного про допущения, излишние упрощения или модели для описания процессов. Физическая реальность всегда отличается от некоторого идеала. Это нормально, но каждый раз возникает вопрос насколько именно она не похожа на эталон.
Недавно был ролик про фотон, где я рассказывал про то, насколько это явление сложное. В комментариях писали что-то из серии "ну ты ведь как будто и не знаешь стандартное определение, неужели этого мало для понимания вопроса, что ты несёшь...?" А знаете - этого правда мало для понимания вопроса.
Возьмем, например, поведение фотонов в лазерах. Невероятно интересная тема, хотя и имеет классическое описание.
Однажды я решил повторить опыт Юнга с двумя щелями и с огорчением обнаружил, что ничего не получается. Естественно я заподозрил, что всё это лишь красивое преувеличение. Однако, в школьной лаборатории этот эксперимент сделать получалось. По крайней мере была видна дифракционная картина. Был маленький секрет - я забыл про когерентность источника. Дома был простой фонарик. Ну а для успешного опыта нужен именно когерентный источник света.
Когерентность волны означает, что в различных пространственных точках волны колебания происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени.
В школе источник света был когерентным. Да и дома всё это можно было легко повторить и увидеть полоски, если взять лазерную указку.
Фотоны в когерентном источнике описываются как находящиеся в одном и том же квантовом состоянии. Лазеры когерентны, а любой другой вид света некогерентен. Лазерный свет идеально коллимирован, а обычный свет подчиняется закону обратных квадратов. И тут начинается самая интересная часть рассказа. Всё это правда, но не очень.
Для того, чтобы работал лазер, используется так называемая накачка. По сути это значит, что специальный объект насыщают энергией и наполняются "возбужденными" фотонами. Это могут быть молекулярные колебательные состояния, вращательные состояния, электронные состояния, и это даже не обязательно должно быть квантовое состояние (например, лазеры на свободных электронах).
Возбужденные состояния метастабильны, но в течение миллисекунды или около того примерно половина этих возбужденных частиц испустят спонтанные фотоны. Примерно как дорожный знак, который отражает в несколько раз больше света, чем получил от фары. Эти фотоны пройдут через среду усиления во всех возможных направлениях. Они будут находиться в диапазоне частот из-за доплеровского сдвига отдельных молекул и из-за расширения под давлением.
У нас есть два зеркала, обращенные друг к другу. Только те фотоны, которые попадут в зеркала и отскочат обратно через среду усиления, будут усилены. Те, которые отскочат туда и обратно несколько раз, будут иметь наибольшее усиление и устойчивый выход. Это классическое представление и тут хорошо ложится аналогия с чем-то типа мячиков.
Одно из зеркал предназначено для пропускания примерно от 1 до 10% рециркулирующих фотонов. Вышедший луч и будет выходной луч лазера.
Поскольку были миллионы различных спонтанных фотонов, есть миллионы различных рециркулирующих состояний фотонов. Мы сузили круг, рециркулируя только те частицы, которые идут в правильном направлении для зеркал. Однако, в лазерном луче еще есть миллионы различных частот. Поэтому, все эти изображения лазерного луча, которые мы видим на идеальных графиках неверны. Но, как это часто бывает, достаточны для создания рабочей модели.
Эта картинка не соответствует действительности, хотя и используется для объяснения. Реальность такова, что фотоны никогда не ведут себя абсолютно одинаково, как на картинке с когерентностью. Это идеализированная модель, чтобы сделать вещи простыми и понятными. Она не неправильная, она не совсем полная. Важно чувствовать эту грань.
По идее луч выходит из лазера, когда все фотоны движутся в одном направлении.
При этом свет можно рассматривать как волны. Но тут мы должны вспомнить про вездесущий дуализм. Скажем, в квантовой теории поля свет никогда не является именно волнами. Это частицы или возбуждения в квантовом поле.
Но всё это просто модели, которые есть у нас в голове.
Свет - это не волны, не частицы и не возбуждения поля. Это просто свет. Отдельное физическое явление. И волны, и частицы, и возбуждения на самом деле не охватывают полностью всё, что есть в свете. Он просто не является ничем из этого.
Проконсультируйтесь с любым физиком-теоретиком и вы сильно удивитесь. Реальность сильно отличается от того, что вы знаете из учебников. Это не волна и не частица, и это на самом деле не волновая функция вероятности, так что нет ничего. Поэтому описать всю полноту картины стандартной фразой не получится.
Свет правда можно рассматривать как волны. Но волны не могут быть однонаправленными. Как и другие квантовые частицы. Если вы знаете положение частицы, вы не можете знать скорость. Так что если у вас есть пучок фотонов, и они ограничены несколькими миллиметрами на выходе лазера, они рассеются после выхода из лазера. Они подчиняются закону обратных квадратов.
Но закон обратных квадратов является приближением. Про это вам уже расскажут прикладники. Он действителен только если вы находитесь во много раз дальше от источника, чем размер самого источника. Например, если вы находитесь в 200 км от Солнца и переместитесь на 100 км, станет ли оно на 1/4 ярче? Нет, не станет.
Аналогично, если вы находитесь очень близко к выходу лазера, приближение закона обратных квадратов не работает.
Большинство читателей скажут, что это попытка усложнить всё ещё больше, чем нужно. Но нет, ни в этом смысл публикации. Согласитесь, что гораздо проще сказать, что лазеры - это особенный тип источника света. Луч, который никогда не расходится. Есть только одна частота у всех фотонов. Все фотоны в одной фазе. У всех одно квантовое состояние. Ничего из этого на самом деле не является абсолютной реальностью, но это проще воспринимать и порой достаточно для объяснения большинства процессов и относительно точных расчётов.
Вот только истинная природа явления остаётся где-то за кадром. Увы, но это характерно для большинства физических явлений. И нет, главная цель - это не критика. Просто очень интересно заглянуть чуть глубже. Сказать правду практически невозможно, даже если очень постараешься.
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
💥 Оформите себе ДЗЕН-премиум и читайте мои "закрытые" статьи
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать ТОЛЬКО подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!
