-
1 # 開心爺爺咪虎哥哥
-
2 # 科技領航人
這個問題的簡單答案是,光子確實會相互碰撞和干擾,它們只會很快發生碰撞和干擾,但很難檢測到。但是,它們不會相互分散,因為它們只能在介質中交換能量和動量。我想一個簡單的解釋是沒有粒子存在真空來調節光子與光子的相互作用,或者至少沒有我們已經檢測到的粒子。以下是我對這個問題的看法:
首先,我們知道光在介質中一定會相互作用。在真空中,這更棘手。光與玻璃、水、銀、木頭等物體相互作用。我們看到它折射、散射、反射(有時喜歡不同的顏色,如金色的反射),它是從燈泡或LED等材料發出的。這些材料是一些普通材料,這裡不會有驚喜。現在,我準備了一些特殊材料,通常被稱為非線性光學材料,可以看到光與自身相互作用。例如,如果我傳送一個近紅外光的強脈衝到石英晶體上,同時傳送一個紅光脈衝,我可以在特定條件下(通常得到光束之間的角度正確,有足夠的功率)從另一側得到藍光。這是一個變頻的過程,我把紅外脈衝中光子的能量,加上紅色脈衝中光子的能量,得到藍色。這種相互作用最早出現在1961年,當時也不奇怪,因為這是一種稱為頻率混合的效應,在類比電子學中非常常見。
現在你可能會說我在使用一種介質來“碰撞”我的光子,因為真正發生的事情,你可以爭辯說,是光子被物質吸收了(或者至少在某種程度上與電子發生強烈的相互作用),而正是電子使光子能疊加發出藍光。好吧,我想你問住我了,因為我真的不能反駁。非線性光學需要一種具有強烈光學響應的介質。也就是說,電子必須是高度極化的,沒有介質,沒有混合。
現在讓我們回到真空中發生的事情。這就是事情變得有點棘手的地方。當然,我會作弊。讓我們回到一個短時間內的介質中,因為我們在觀察光子相互碰撞時、相互作用時遇到了一個問題。這是一個相當快的現象。事實上,它是以光速發生的。最簡單的觀察相互作用的方法是讓兩個光子朝同一個方向運動,這樣它們就可以相互疊加。不幸的是,要做到這一點,唯一的方法是將它們傳送到一個分束器,它只是一個反射率為50%,透射率為50%的鏡子。好的是,當兩個光子在分束器上“碰撞”時,它們不會改變顏色。但是,它們確實會干擾。干涉是物理學中非常熟悉的東西,特別是光學。如果兩個相同頻率的光波,現在我們以一種“經典”的方式思考,光以波的形式傳播,在同一點撞擊一個分束器,那麼它們的干擾就像聲波或水波一樣。有些地方有低谷,有些地方有山峰。這種現象已經為人們所熟知了幾個世紀。下面顯示了鐳射可能看到的典型干擾模式。
在中心亮點有建設性干擾,然後是破壞性干擾環,然後是建設性干擾,等等。如果現在我們改變兩個波之間的相位(改變它們的峰-峰間距),峰變成波谷,波谷變成波峰。這種演示的設定如下所示:
這裡的一個重要點是,當兩個入射光束之間的相位差正確,並且干涉圖樣的中間在輸出光束1中為黑色時,由於光束2的中間是明亮的,所以功率不會損失。強度和光子數是守恆的。回到介質問題,我們可以使分束器儘可能薄,仍然有效果。在這種情況下,我們只限於一個原子層,但我們可以肯定地想出不同的實驗,即相互作用不在分束器上,而是在太空中相隔很遠。我們用來描述這種效應的理論當然不需要分束器——它只是將兩個光束連線在一起的一個方便工具。
總之,這是純經典的波動理論,沒有什麼奇怪的,所以你可能會說我在欺騙你,光子沒有相互作用-這只是干涉,一個數學技巧。讓我們想想,只有一對光子進入這個分束器後會發生什麼。好吧,這次我們要做一些難的數學題,我不會讓你厭煩的,但是結果是一樣的。如果兩個光子之間的相位是正確的(請記住,必須將它們同時視為粒子和波(或者可能既不是粒子也不是波,但絕對不是一個或另一個)),那麼兩個光子都將朝一個方向(即進入輸出1)或兩個光子都將朝另一個方向(進入輸出2)。聽起來很瘋狂,但當你嘗試這個實驗的時候,我已經做完驗證了,這是真的!
現在,這就是它變得真正有趣的地方,當我們在分束器的每個輸入光束中得到一個以上的光子時會發生什麼?首先,要想看到任何有趣的東西,我們必須能夠計算出從另一邊出來的光子的數量。這並不像聽起來那麼棘手。幸運的是,現在有一些公司出售光子計數裝置(儘管它們肯定不便宜)。現在讓我們回到光子對的情況。如果我們繪製出探測每束輸出光束中光子的機率,作為兩個光子之間相位差的函式,我們會看到什麼?以下是結果圖表(這是模擬的,但我已經測量過了):
現在你可以看到,當我們有兩對光子時,這種干涉的頻率是一對光子的兩倍。如果我們現在嘗試三對,頻率會增加三倍,以此類推。這不再是干涉,而是光子確實相互作用的直接證據,這種相互作用取決於系統中光子的數量,而這種情況在任何其他型別的波中都看不到。這種光子相互作用產生了一個全新的研究領域,通常被稱為量子全息或量子成像,研究人員正試圖利用這種干涉效應來成像遠小於光波波長的物體,這是不可能的。使用“標準”光束或鐳射器。
所有這一切的結論是,光子是非常奇怪的,雖然不像固體物質,在那裡你可以很容易地看到碰撞和相互作用,但在適當的環境下,光子仍然可以相互作用和影響。我想在這裡強調一點,我在上面有點遮掩,那就是光子必須具有相同的性質,才能完全相互作用。但是,對於不相同的光子,允許部分相互作用和短暫的相互作用。
-
3 # 語境思維
先給答案:
恰恰相反,粒子間不能直接碰撞,粒子與粒子、粒子與光子,都是光子與光子的碰撞。
這是新課題:研究亞原子與亞原子、光子與光子、亞原子與光子之間碰撞的動力學原理。
粒子之間不可能裸接觸:因為粒子皆有抗簡併壓,即粒子擁有高速自由運動的剛性空間。
▲駐波其實是電磁波或空間場量子的疊加。AB粒子之間的碰撞——是以場介質或光量子為載體——把A粒子的動量傳遞給B粒子。
這個命題,現有教科書還沒有涉及到這個深度與高度。如果搞清幾個基本概念;那麼光子間有無碰撞的問題,即可迎刃而解。
本文涉及的“場”與“場量子”物理學的術語與範疇,經常由於定義不明,導致各說各話的歧義與誤解。科學術語的規範化或標準化是一項比較複雜的基礎工作。某種意義,基礎物理的科學家首先是一個語言學家。
例如,暗物質、暗能量、光量子、聲子、玻色子、虛粒子、軸子、場量子、引力子、介子、層子、膠子、希格斯子,——這些明目繁多的術語,其實都屬於場介質。可事實上人們並不這麼認為,這就浪費了太多寶貴的智力資源。
其1,關於“場”的系列術語
場的定義——真空即真實的空間,是不含涉及亞原子(電子,質子等)的場介質,簡稱場。故,真空=空間=場介質,場=真空場=空間場。
場的語境——引力場&/or電磁場、熱力場&/or溫度場、能動場&/or張量場,都是不同語境下異名同指的真空場,沒必要搞繁瑣哲學。
場的梯度——不同實體有不同的引力場。引力場強度總是隨著場半徑增大而遞減的特性指標,叫場梯度。這與熵增加原理是互為表述的。
場的疊加——不同實體的引力場空間,既是各自獨立的,又是相互疊加的。場總是獨立隨著實體系統一同自旋與進動的。實體附近的場效應占主控地位,其它實體的場效應可忽略不計。
其2,關於“場量子”的系列術語
場量子的定義——場量子是測量場效應的非離散性的計算單元。根據電子湮滅反應,場量子可以模擬為與電子等質量的光速自旋的漩渦體,故也可以說,場量子是空間的基本單元。
場量子的語境——就場介質的固有勢能而言,場量子也叫引力子;就場介質的輻射動能而言,場量子也叫光量子;就場介質傳播低頻動能而言,場量子也叫聲子。
場量子的分佈——實體運動推壓場介質激發出的電磁波是一圈圈頻率遞減的波陣面之間的依次推湧,波陣面場量子只在本地以光速震盪而無位移。故,波陣面可以作為零點參照系。
場量子的密度——由於場效應遵循熵增加原理,波源激發電磁波的推湧歷程中,各波陣面光子密度逐層遞減。特定區域所有場量子的平均密度就是該區域的平均密度。
場量子的疊加——不同波源場量子疊加,是輻射動能的疊加h(f₁+f₂)=hf...(1)。頻率在相同數量級的疊加,有顯著共振。可見光的頻率在同一數量級,七色光的疊加頻率屬於紫外光譜。
在原子的內部,光子的行為表現不難設想:原子內空間的平均能密,顯然高於原子外空間的平均能密。這是為什麼?
這是由於核外電子的高速旋進運動,推壓原子內空間真空場,進而激發電磁波。核電荷與電子電荷間的電動勢轉化為高頻輻射動能。
能量轉換關係:½m₀v²=ke²/R=hc/λ...(2)。其中,R是電子繞核的旋進半徑,v∝1/R,近核點R最小,遠核點R最大,對應不同的電子軌道動能(Ek=½m₀v²)與光子輻射動能(Eγ=hc/λ)。
▲如果膠子(g)的質量為零,則質子的三夸克模型“p=uud+μ+g”就嚴重違背三大守恆定律。原子核的內空間,也有核子旋進震盪激發的輻射動能。質子=uud(或e⁺)+μ核+n介子...(3)。
其中,繆子質量:μ=(105.7÷0.511)m₀ ≈207m₀,即:μ=1.88×10⁻²⁸kg。
質子的經典半徑r*=0.0015fm或為繆子半徑。質子半徑也可以這樣估計:
繆子強力=e⁺與μ⁻電磁力:μc²/r*=ke²/r*²...(4),r*是正電子繞繆核的旋進半徑,故:r*=ke²/μc²,r*=1.36×10⁻¹⁷≈0.0136費米。
有權威資料稱,質子半徑與原子核半徑皆為費米級,意味著核子都擠在一起了,這不可能。
按質量守恆,質子=三夸克+繆核+n個場量子,p=1836m₀,uud=(9.6/0.511)m₀≈19m₀,
nm₀=p-uud-μ=1610m₀=1.466×10⁻²⁷kg...(5)。質子內空間的場密度:ρ*=0.75nm₀/r*³,
有:ρ*=0.75×1.466×10⁻²⁷/(1.36×10⁻¹⁷)³,計算結果為:ρ*=4.37×10²³kg/m³。
可見:①質子內部真空場的質量貢獻尤為突出,絕非按標準粒子所謂“膠子質量為零”。
當然,②核外電子所在的內空間,體積很大而密度較小,故其質量貢獻被忽略不計。
在原子的外部,光子的行為表現上節探討了粒子內部光子扮演的場效應,是充當介子或膠子,這些鮮為人知,僅供參考。
原子外部真空場量子扮演的場效應,則是眾所周知的,即:原子光譜的超精細結構。
原子光譜,來自核外電子繞核的旋進運動推壓原子外部真空場,進而激發光子做依次推湧。
電子的基態速度,即近核點的旋進速度,所激發的電磁波頻率,是原子光譜的高頻段,遠核點激發的是低頻段,過渡點激發的是中頻段。
將方程(2)改寫成:λ=2hc/m₀v²=ξ/v²...(6),即核外電子的場效應方程,可以解釋原子光譜的動力學機制。
由於原子外空間的場密度隨著波陣面逐漸遞減,其平均密度極小而通常被忽略不計。
但在天文物理學上,場密度方程,即:天體質量=引力場質量=場密度×場體積...(7),對於估算天體離地距離是非常方便的。
其一:亞原子↔亞原子,之間無直接碰撞。
因為,亞原子有強大的自由活動空間,這個空間是充滿場量子(或光量子),是亞原子有抗簡併壓的邊界層。
其二:亞原子↔光量子,之間無直接碰撞。
這個原因同上。只要涉及亞原子、原子、分子的碰撞,其邊界層,就一定有簡併壓空間,就一定充滿光量子。
其三:光量子↔光量子,之間有直接碰撞。
AB兩束電磁波或交叉或迎面相遇,有如兩列氣流或河流相遇。其實是場與場的疊加效應。
這裡可用康普頓散射效應與愛因斯坦光電效應來解釋。電子本來就在運動激發與電子切向運動平行的電磁波A。
外來電磁波B照射電子,其實是與電磁波A發生疊加,或解釋為加劇電子旋進速度而B降頻,或解釋為提高區域性空間熱力學溫度,或解釋為反射光震盪的駐波現象。
Stop here。物理新視野與您共商物理前沿與中英雙語有關的疑難問題。
回覆列表
如果撞擊的力度能量足夠大,必然會產生驚奇的效果!熱能爆炸或癱蹋的可能性都會存在,如同水的三種表現固,液,氣態!光子單體沒有什麼可以實驗的意義,如果是集束轟擊必然會出現我講出的現象。這個是物質特性<空/實>決定的!