Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 27 dotazů obsahujících »fotonů«
7) Vlny nebo částice?
08. 04. 2004
Dotaz: Dobrý den, mám dotaz je pravda že podle kvantové teorie může hmota existovat jak
v částicích tak ve vlnách? A je pravda, že kdybychom u nějakého objektu na
subatomární úrovni posunuli vlny o 180 stupňů, stal by se pro nás neviditelný?
(Tomáš Macejka)
Odpověď: Já bych spíše řekl, že v kvantové teorii se stírá rozdíl mezi částicemi a
vlnami, což jsou pojmy, které do mikrosvěta plného zajímavých a neobyčejných
jevů přinášíme z našeho makrosvěta. Například na rentgenové záření se někdy hodí
dívat jako na vlny (když studujeme jeho difrakci na krystalech) a někdy jako na
proud částic - fotonů (když nás bude zajímat, co třeba způsobí v polovodičovém
detektoru). Cesta k poznání není v meditacích, jak je to možné, ale v seznámení
se s ději mikrosvěta a jejich popisem. Když k vlnění přidáte další posunuté ve
fázi o 180° a se stejnou amplitudou a když zařídíte interferenci obou těchto
vlnění, tak se obě vlnění navzájem vyruší. Ale strefit se do fáze i amplitudy
není vůbec snadné, prakticky se takový efekt využívá při aktivní protihlukové
ochraně.
Dotaz: Základním zákonem zachování je zákon zachování hmoty a to i relativistické, tj.
izolovaná soustava má stálou relativistickou hmotnost. Pokud by se v této
soustavě začalo nějaké těleso pohybovat (nebo by zvětšilo svou stávající
rychlost), tj. zvětšilo svou hmotnost, muselo by jiné těleso "zhubnout", aby
první těleso získalo energii na zvětšení rychlosti? Děkuji za odpověď. (Iveta Krahulcová)
Odpověď: Záleží na tom, jak na sebe budou tělesa v té izolované soustavě působit. Pokud bychom si představili například pružný ráz, pak skutečně platí, že součet hmotností těles se nezmění. Když se v Newtonovské teorii řeší úlohy o pružných srážkách, vychází se ze zákona zachování hybnosti a energie. Ve speciální relativitě to je stejné, zákon zachování energie lze skrze vztah E = m c2 považovat za ekvivalentní právě zákonu zachování hmotnosti.
Poněkud složitější to je v případě, že uvažujeme elektromagnetické působení. Např. Slunce (nebo libovolná jiná hvězda) vyzařuje energii ve formě elektromagnetických vln. Kvanta této energie se nazývají fotony a podle vlnové délky mají různou povahu (v případě Slunce je vnímáme převážně jako teplo a světlo). Díky tomuto vyzařování hvězda ztrácí určitou hmotnost (schválně si pomocí vzorce E = m c2 a údajů o Slunci spočítejte, kolik to bude za jeden den). Má-li zde tedy platit zákon zachování hmotnosti, je nutné započítat i hmotnost odpovídající energii vyzářených fotonů.
Dotaz: Elektromagnetické pole se vždy vlní. Toto pole má navíc vždy duální charakter,
tzn. vlnění + fotony. Co víme o gravitačním poli? Vlní se také jako
elektromagnetické pole a má také duální charakter? Nakonec bych se ještě rád
zeptal, zda existují nějaké paralelní teorie elektromagnetického pole, které by
nepoužívaly slova "duální charakter"? (Tomáš Trojan)
Odpověď: Z Einsteinovy obecné teorie relativity plyne existence gravitačních vln.
Jejich povaha je ale hodně odlišná od elektromagnetických. Jeden ze
zásadních rozdílů je ten, že rovnice popisující gravitační pole jsou
nelineární.
Nicméně v jisté aproximaci fungující pro slabá pole lze gravitační vlny
považovat za poruchy na plochém (nezakřiveném) prostoru, které se chovají
lineárně. V této linearizované teorii skutečně existuje přímá analogie
fotonů, které se říká graviton. Kvantovat nelineární gravitační pole ale
zatím uspokojivě nikdo neumí, ostatně skloubení obecné relativity a
kvantové teorie pole je již delší dobu jednen z klíčových problémů
fundamentální fyziky vůbec (viz např. J. D. Barrow: Teorie všeho nebo
S. Weinberg: Snění o finální teorii).
Ke druhé části otázky. Klasická elektrodynamika o kvantování pole (tj.
ani o fotonech) nic neví. Proto s ní také nelze vysvětlit jevy, ve kterých
se tato vlastnost pole projevuje. Fotony se objevují až v kvantové
elektrodynamice a není mi známa žádná snaha tuto teorii přeformulovat tak,
aby v ní byla nějak přímo obsažena klasická teorie. Zmíněná dualita není ani
tak vlastnosti teorie, jako spíše naší interpretace související s tím,
kterou teorii k popisu konkrétních jevů používáme.
Dotaz: Světlo má duální charakter - jeho nositelem je jak foton, tak elektromagnetické záření. Vlnová dálka el.mag. záření které považujeme za viditelné světlo, se pohybuje v rozmezí 700nm - 400nm. Rád bych se zeptal:
1) pokud bych dokázal vysílat na frekvenci o vlnové délce řekněme 500nm, svítila by anténa vysílače?
2) pokud ano, kde by se vzaly fotony? Vždyť jen vysílám el.mag. záření.
3) existuje foton i pro el.mag. záření které má nižší nebo vyšší vlnovou délku než viditelné světlo a to i třeba o několik řádů?
Děkuji (Tomáš Trojan)
Odpověď: 1) Pokud bys takový vysílač dokázal sestrojit, tak by zcela jistě svítil.
Problém je v tom, že nikdo takovou anténu vyrobit neumí, a to zejména
proto, že vlnová délka vysílaného záření odpovídá rozměrům vysílače.
2) Otázka "kde se v el.-mag. vlnění vezmou fotony" je zcela přirozená ale
nikdo na ní neumí uspokojivě a jasně odpovědět. Jde o pochopení toho,
čemu říkáme vlnově-částicová dualita. Bohužel (či bohudík?) pravda je
taková, že názornou představu opírající se o nějakou běžnou zkušenost si v
tomto případě udělat nejspíš nelze. Fyzikové se s tímto vyrovnávají
většinou tak, že připustí, že elektromagnetické záření se může projevovat
jako vlnění i jako tok energetických kvant (fotonů). V některých situacích
(např. při interferneci či ohybu) se projeví vlnové vlastnosti, v jiných
(fotoefekt) zase částicové. Na otázku, zda je to teď zrovna vlna nebo
částice, také odpovedět nelze. Záření má totiž obě vlastnosti současně a
je to pouze naše interpretace, že ho jednou vidíme jako vlnu a jindy jako
částice.
3) Fotony pochopitelně existují pro záření všech vlnových délek.
Pochopitelně proto, že teorie, která by tak fundamentální věc jako
kvantování el.-mag. vln připouštěla jen pro nějaký konkrétní interval
vlnových délek, by byla přinejmenším podivná. Viditelné světlo se od
el.-mag. záření jiných vlnových délek skutečně ničím neliší.
Energie jednoho fotonu závisí na vlnové délce (určitě znáš vzorec E = hf =
hc/λ). Čili čím kratší vlnová délka, tím energičtější (říká se
také tvrdší) fotony. Takové fotony se budou projevovat velmi znatelně.
Naproti tomu fotony odpovídající např. rádiovým vlnám budou tak měkké, že
jen obtížně vymyslíme nějaký experiment, při kterém se "částicovost"
záření projeví. Můžeš si snadno spočítat jejich energii a porovnat jí
třeba s typickou energií chemických reakcí na jednu molekulu.
Dotaz: 1.Žádné hmotné těleso se nemůže pohybovat rychlostí světla. Jaká je tedy
maximální možná rychlost hmotného tělesa? (domnívám se, že pokud bychom to
číslo znali a odečetli ho od rychlosti světla, získaly bychom nejmenší
jednotku času, ale to je v rozporu s tím, že čas se nedělí na kvanta)
2.Pokud posvítím baterkou ze stojícího auta, vyletí z ní fotony určité
vlnové délky. Pokud posvítím baterkou z jedoucího auta, vlnová délka fotonů
se zkrátí a světlo urazí větší vzdálenost, než aby se k jeho rychlosti
přičetla rychlost jedoucího auta. Je moje domněnka správná? (Vašek)
Odpověď: 1. Ono je to tak, že se může pohybovat libovolnou menší rychlostí, než je
rychlost světla. Ve speciální relativitě se často pracuje s koeficientem
Ten udává, kolikrát se zkracují télky, dilatuje čas, zvyšuje hmotnost
apod. Není neobvyklé pozorovat částici, která se pohybuje např.
s γ = 1000 (tj. je např. 1000 x těžší než v klidu). Dopočteme-li v
takovém případě rychlost, vyjde v = 0.9999995 c, tj. do rychlosti světla
chybí jen asi 150 m/s.
2. Ano, v podstatě máte pravdu. Jedním z výchozích principů speciální teorie
relativity je princip konstantní rychlosti světla, čili fakt, že světlo se
pohybuje stejně rychle v každé (inerciální) soustavě. Nevyhnutelným
důsledkem tohoto (z pohledu klasické fyziky poněkud podivného) faktu je
pak mj. vámi zmíněný Dopplerův jev, tj. změna vlnové délky světla při
vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele.
Není možné ale relativistický Dopplerův jev zaměňovat s klasickým
(pozorovatelným např. na zvuku). Zde se jedná o zcela jiný princip, zvuk
má (narozdíl od světla) jasně dané prostředí, ve kterém se šíří (vzduch),
zatímco u světla takové prostředí (éter) neexistuje.
