Действительно ли фотоны существуют в физическом смысле или это просто полезная концепция, такая как i=−1−−−√i=−1i = \sqrt{-1}? [закрыто]

Существует множество экспериментальных доказательств того, что электромагнитное поле обменивается энергией с атомами дискретными порциями, и если мы назовем эти порции фотонами , то фотоны существуют. Все это очень хорошо, но я предполагаю, что вам действительно интересно узнать, существует ли фотон в виде маленького светового шарика, движущегося в пространстве со скоростью$c$, а если так, то это сложный вопрос.

На самом деле все частицы более неуловимы, чем вы думаете. Многие из нас начали свое путешествие в квантовую механику с волнового уравнения свободной частицы и были удивлены, что решение оказалось плоской волной, которая совсем не была похожа на частицу. Затем учитель говорит нам, что мы можем построить волновой пакет , чтобы получить частицу, но это не так уж убедительно. Создание частицы путем построения волнового пакета кажется ужасно произвольным для объектов, которые считаются фундаментальными.

На самом деле нерелятивистская квантовая механика ничего не говорит нам о том, почему существуют частицы и откуда они берутся. Только когда мы доберемся до квантовой теории поля , мы получим причину существования частиц и объяснение их свойств, но даже тогда частицы оказываются более странными вещами, чем мы думали.

Когда вы изучаете КТП, вы традиционно начинаете с квантования скалярного свободного поля. Если мы сделаем это, мы обнаружим, что состояния поля являются состояниями Фока , и мы интерпретируем эти состояния как содержащие четко определенное число частиц. Воздействие на вакуумное состояние с помощью оператора созданиядобавляет частицу в состояние, и аналогичное действие на состояние с оператором уничтожения удаляет частицу. Все это может показаться немного абстрактным, но на самом деле дает нам конкретное описание того, что такое частицы. Свойства частиц, такие как масса, спин, заряд и т. д., являются свойствами квантового поля, и все частицы идентичны, поскольку все они описываются одним и тем же полем. Таким образом, теория сразу же говорит нам, почему, например, все электроны одинаковы, и описывает, как частицы могут создаваться и уничтожаться в коллайдерах, таких как БАК. Сейчас квантовая теория поля является окончательной теорией для описания того, что представляют собой частицы и как они себя ведут.

Но эти моды поля, которые представляют собой частицы, ужасно похожи на плоские волны, с которых мы начали, когда впервые изучили квантовую механику. Так что частицы, описываемые КТП, по-прежнему не очень похожи на частицы в интуитивном смысле на маленький шарик. И худшее впереди. Фоковские состояния существуют только для свободного поля, т.е. такого, в котором частицы не взаимодействуют друг с другом. И это, очевидно, бесполезная модель для частиц, таких как электроны и фотоны, которые сильно взаимодействуют. В теории взаимодействия состояния поля не являются фоковскими состояниями и даже не являются суперпозициями фоковских состояний. На самом деле сейчас мы не знаем, каковы состояния взаимодействующего поля. Лучшее, что мы можем сделать, это рассчитать их свойства, используя пертурбативный подход или решеточное приближение .

Но вернемся к фотонам. Мы не квантуем электромагнитное поле, потому что оно явно не лоренцево ковариантно, поэтому вместо этого мы строим поле, называемое электромагнитным четырехпотенциалом, и квантуем его. И теперь у нас есть определение фотона в терминах состояний этого поля. Пока мы имеем дело с ситуациями, когда взаимодействия можно игнорировать, у нас есть хорошее четкое определение фотона. И мы можем описать создание фотонов, добавляя энергию к модам, описываемым квантовым полем, а аннигиляция фотонов может забирать энергию из мод и добавлять ее, например, к атому водорода. В этом смысле фотоны — это реальные вещи, которые определенно существуют.

Но этот фотон не похож на маленький шарик света. На самом деле это совсем не похоже на луч света. Построение светового луча включает в себя получение когерентного состояния фотонов способом, который, признаюсь, я не понимаю, но знаю, что это сложно. Это область квантовой оптики , и я желаю вам провести много счастливых часов, пытаясь изучить ее.

Это точка зрения, сделанная в статье WE Lamb , которую я упомянул в комментарии. Существует долгая и постыдная история, когда люди воображали, что световые лучи — это просто град фотонов, а затем в результате путались. Единственный раз, когда мы действительно видим, что свет ведет себя как фотон, — это когда он обменивается энергией с чем-то. Поэтому при распаде возбужденного атома водорода испускается фотон. Точно так же фотон может быть поглощен атомом и возбудить его. Когда свет распространяется к атому или от него, редко бывает полезно описывать его в терминах фотонов.

Мне кажется, что я продолжал и продолжал довольно долго, не отвечая на ваш вопрос, но это потому, что на ваш вопрос на самом деле нет ответа. КТП, в частности квантовая электродинамика , дает нам очень, очень точное описание того, что такое фотоны, и я подозреваю, что большинство из нас сказали бы, что фотоны действительно существуют. Они просто не простые объекты, как думает большинство людей.

Как вы можете догадаться по ответам, которые сильно варьируются от «да» до «нет», ваш вопрос затрагивает очень деликатную тему для тех, кто следит за наукой. Ответ быстро сведется к разочаровывающим вопросам типа «что реально», потому что то, что вы спрашиваете, достаточно сложно.

В мире философии наука относится к категории «эмпиризма». Эмпиризм — это философия того, что мы можем узнать, используя наши чувства (он же «эмпирические наблюдения»). Эмпиризм — это подраздел эпистемологии, изучение того, что мы можем знать. Эпистемология отделена от онтологии, изучения того, что «реально», поэтому с философской точки зрения наука на самом деле не делает утверждений о том, что реально, а что нет.

Когда вы смотрите на свидетельства существования «фотона», вы видите, что это большой объем эмпирических наблюдений, сделанных учеными. В каждом случае мы обнаруживаем, что если мы моделируем мир так, как будто фотоны существуют, результаты эксперимента согласуются с предсказаниями этой модели. Он не говорит, что фотоны существуют, и не говорит, что их не существует. Он просто говорит, что модель, которая заявляет о существовании фотонов, эффективна для предсказания результатов прошлых экспериментов.

Если вы считаете, что прошлые результаты предсказывают будущие результаты, не играйте на фондовом рынке, но наука показала, что его модели имеют удивительно хороший послужной список для прогнозирования результатов. Я бы сказал, что его результаты намного лучше, чем у любой другой системы, хотя для того, чтобы сделать такое заявление, мы должны были бы сначала сесть и согласовать метрику для сравнения систем. Если вам нужно предсказать, что произойдет в системе, моделирование системы с использованием фотонов, скорее всего, даст вам надежный ответ. Наука ценит свою способность делать прогнозы, которые не может сделать ни одна другая система, и оправдывать эти прогнозы.

Наука была настолько эффективна в этом, что мы начинаем лениться с нашей терминологией. Мы начинаем говорить «фотоны существуют» или «фотоны реальны». На философском уровне это называется похищением. Абдукция относится к той же категории, что и дедукция и индукция; предполагается, что наиболее вероятная гипотеза верна. Мы предполагаем, что без какой-либо лучшей гипотезы фотоны должны просто существовать. Это не является частью научного метода; это не эмпирическое утверждение. Однако модели настолько чертовски хороши в предсказании будущего, что более длинная фраза «вселенная хорошо смоделирована в предположении, что фотоны реальны» просто не стоит дополнительных усилий.

К сожалению, этот похищающий шаг может доставить нам неприятности . Вы упомянули, что слышали о фотонах, описываемых как «облака вероятности». Это потому, что, вглядываясь все глубже и глубже во вселенную, мы заметили, что моделирование вещей как фотонов перестало полностью описывать то, что мы видели. Странные эксперименты, такие как эксперимент с двумя сидячими местами, начали подсказывать, что мы не можем просто моделировать свет как набор отдельных фотонов. Эксперименты, подобные этому, были разработаны специально для того, чтобы протолкнуть крайние случаи, когда старые модели просто ломались. Затем мы заменили их новыми моделями, которые намного лучше предсказывают результаты.

Конечно, эти новые модели должны согласовываться со всеми старыми эмпирическими данными, собранными до того, как эта новая модель была сформирована. По мере того, как мы отходим от сложных крайних случаев, предложенных экспериментом с двумя щелями, мы обнаруживаем, что существовала тесная связь между некоторыми распределениями вероятностей, возникшими из волновых функций квантовой механики, и «фотонами», которые предполагались в эксперименте. старая модель.

Для меня это одна из блестящих частей науки. Устанавливая эти связи между моделями, мы можем сказать: «Пока вы держитесь подальше от этих конкретных угловых случаев, вы можете обойтись без моделирования света как фотонов, потому что ошибки, которые вы улавливаете, малы». Подумайте, как это удивительно. Мы достаточно хорошо знакомы с нашими моделями, чтобы сказать: «Даже если вы не используете самую передовую модель, которую может предложить наука, мы все равно можем безопасно использовать ее и ограничить ошибки».

Как бы то ни было, в квантовой механике на самом глубоком уровне нет «фотонов». Существуют формы волн, которые непрерывны в пространстве и времени. Однако во многих случаях поведение этих сигналов достаточно дискретно, чтобы мы могли зафиксировать часть сигнала и сказать, что «эта часть — фотон». Но на самом деле это наше решение назвать его фотоном. Эмпирически говоря, это хорошее решение. В более чем 99% случаев это достаточно хорошее решение, чтобы делать прогнозы, и это то, чего мы хотим от науки.

Так существуют ли фотоны? Никто не знает. Наши лучшие модели субатомного мира, модели квантовой механики, показывают поведение именно там, где должны быть фотоны. У нас нет особых причин предполагать, что их не существует. Достаточно ли этого для вас, на самом деле вопрос личных предпочтений и философии.

Все эксперименты нуждаются в теоретической основе, в рамках которой они интерпретируются. Необработанные данные сами по себе ничего вам не говорят.

Фотоны (и другие частицы) являются частью чрезвычайно полезной основы для понимания многих различных явлений, от эзотерических экспериментов на высокоэнергетическом коллайдере до вещей, с которыми мы сталкиваемся каждый день, таких как спектр абсолютно черного тела. Итак, я использую этот язык для понимания и интерпретации широкого класса экспериментов.

Однако в то же время мы никогда не можем сказать, что наша текущая теория определенно является правильным взглядом на вещи. Всегда есть шанс, что будущие эксперименты или озарения приведут нас к пониманию того, что наша текущая теория — просто приближение к другой теории или что это одно из нескольких эквивалентных представлений одной и той же физики.

Если бы завтра появился кто-то и предложил альтернативный взгляд на вещи, в котором фотоны не проявляются в явном виде, но который адекватно объясняет все наблюдаемые явления, я бы не возражал против использования этого языка. (В какой-то степени я мог бы сказать, что квантовая теория поля позволяет это сделать, интерпретируя сечения рассеяния как некую проекцию n-точечных корреляционных функций квантового поля). В самом деле, меня даже можно было бы убедить предпочесть новую теорию, если бы новая теория была способна объяснить новые явления, которые не могла объяснить старая теория.

Однако эта новая теория по-прежнему должна учитывать многие наблюдения, которые мы связываем с существованием фотонов, например щелчки в фотоумножителе. Вполне может быть, что новая теория дает менее интуитивное объяснение этим явлениям. Тогда я все же предпочитаю думать о фотонах как о полезном приближении — они отражают достаточно того, что происходит, что я бы сказал, что они являются хорошим описанием в соответствующем пределе, даже если они не являются фундаментальными объектами в новой теории.

Итак, существуют ли фотоны? Трудно сказать «нет», поскольку они дают такое элегантное объяснение стольким наблюдаемым фактам. Но я не могу однозначно сказать да, поскольку всегда возможны другие способы объяснения тех же данных, и возможно, что некоторые из этих других теорий ведут к более глубокому пониманию физики.

PS -- это побочный комментарий, но я не принимаю предпосылку, что$i$не существует (для любого определения «существования», которое вы используете для математических объектов)... если вы допускаете существование иррациональных чисел, то$i$действительно не чужой.

Действительно ли фотоны существуют в физическом смысле или это просто полезная концепция, такая как i = sqrt(-1)

Они действительно существуют в физическом смысле.

Читая о фотонах, я слышу разные объяснения вроде «элементарная частица», «облако вероятностей», «кванты энергии» и так далее.

Я уверен, что все знакомы с термином «элементарная частица», и что многие люди будут прохладно относиться к «квантам энергии», но лично я никогда не слышал, чтобы кто-нибудь описывал фотон как «облако вероятности». Можете ли вы дать мне ссылку на это?

Поскольку, вероятно, никто никогда не видел фотон

В каком-то смысле прямо сейчас вы видите целый ряд фотонов. Их так много, что они создают картину. И люди определенно обнаруживали фотоны в экспериментах.

(если его "увидеть" он якобы - и довольно удобно - перестает существовать)

Не всегда. Фотон имеет волновую природу E=hf или E=hc/λ . Думайте об обнаружении фотона, как об обнаружении колеблющегося желе большой палкой. Это останавливает колебание желе. Но есть такое понятие, как слабое измерение . Слабое измерение похоже на использование зубочистки вместо большой палки. Есть еще комптоновское рассеяние . Фотон «детектируется», но не перестает существовать.

но многие эксперименты, похоже, подтверждают его свойства (или они, возможно, подгоняются под эксперимент). Таким образом, я не могу не задаться вопросом, не является ли «фотон» тогда просто физико-математическим инструментом с необъяснимыми свойствами (такими как нулевая масса — но под действием гравитационных полей — и постоянной скоростью с в пространстве), изобретенным для объяснения некоторых иначе необъяснимых явлений и для дополняют элементарные частицы и их взаимодействия. Короче говоря: они настоящие или воображаемые! Кто-нибудь знает? Или, может быть, ответ «дует по ветру», потому что для большинства физиков это, вероятно, просто не имеет значения, пока это работает (как говорят альтернативные целители). Извините, если я кажусь немного саркастичным здесь и там.

Они настоящие. Мы можем создавать электроны (и позитроны) из фотонов при образовании пар. И вы сделаны из электронов и других частиц, которые столь же реальны.

Фотоны существуют и лучше всего описываются как пакеты энергии или частицы. Конечно, термин «частица» всегда тривиален при помощи соломенного описания шара или шара света. Частица является частью чего-то другого и не обязательно должна быть твердым шаром. На самом деле это просто еще одна собственная система. Фотон можно описать как собственную колебательную систему, которая распространяется в пространстве со скоростью света. Отдельный фотон может быть построен как минимум на четырех принципах.
(1) Суммарная масса массы слишком мала для расчета в настоящее время. (2) Направление и скорость (3) Частота, которая может указывать на собственные систематические колебания. (4) и общий угловой момент системы, который можно было бы воспринимать как полярность. По мере того как фотон распространяется в пространстве, эти четыре принципа расходятся, и наиболее важным из них является частота колебаний. Энергия этих внутренних колебаний вносит вклад в энергию фотонов и фотоэлектрический эффект. Скорость и масса фотонов имеют к этому небольшое отношение. Это всего лишь один из способов физически описать фотон, не прибегая к саркастической модели шара.