Измерение энергии и пространственного положения фотонов

Автор: Найданова Ринчима Пурбоевна

Организация: МАОУ «СОШ №13»

Населенный пункт: Республика Бурятия, г. Улан-Удэ

Аннотация. Актуальность исследования, проводимого в этой статье, обоснована, прежде всего, тем, что структура и свойства фотонов, несмотря на многовековую историю изучений, в той или иной форме, остается загадкой для современной науки. Кроме того, в современной науке нередко появляются исследования, в которых утверждается, что фотон не обладает внутренней структурой и является точечным объектом с набором свойств, таких, как частота, скорость распространения. Подобный подход приводит к постулированию свойств фотона, вызывая необходимость в построении более совершенной парадигмы для трактовки этих свойств. Опытное изучение поведения фотонов приводит к вопросам о возможностях и способах измерения их энергии и пространственного положения.

Ключевые слова: фотон; излучение; энергия; пространственное положение; формула Эйнштейна, «запутанность» фотонов.

Measurement of the energy and spatial position of photons

Annotation. The relevance of the research conducted in this article is justified, first of all, by the fact that the structure and properties of photons, despite the centuries-old history of studies, in one form or another, remains a mystery to modern science. In addition, in modern science, studies often appear in which it is claimed that a photon does not have an internal structure and is a point object with a set of properties such as frequency and propagation velocity.

This approach leads to the postulation of the properties of the photon, necessitating the construction of a more advanced paradigm for the interpretation of these properties. An experimental study of the behavior of photons leads to questions about the possibilities and ways to measure their energy and spatial position.

Keywords: photon; radiation; energy; spatial position; Einstein's formula, "entanglement" of photons.

Как известно, еще В 1905 г. Эйнштейном был сделан вывод о том, кванты являются источником, распространителем и «поглотителем» излучения.

В классической электродинамике, которая основывается на волновых представлениях об излучении и его свойствах, такой подход объяснен быть не может.

Эйнштейн утверждал, что свет распространяется в виде потока локализованных в пространстве дискретных частиц, которые движутся со скоростью распространения света в вакууме. Только в 1925 году эти частицы нашли свое название и стали именоваться фотонами.

Сегодня доказано, что фотоны имеют все корпускулярные свойства (то есть свойства частиц). Следовательно, мы можем говорить о том, что можно измерить энергию фотона. Для этого существует формула:

e=hv= hw l = h c , (1)

где h=6*6×10^-34 Дж×с – постоянная Планка, h =h/2p=1.055×10^-34 Дж×с также постоянная Планка, w=2pv - круговая частота.

Также, поскольку мы знаем, что у фотона m=0, импульс фотона можно измерить по формуле:

p=Е/c=hv/c=h/λ/ (2)

Энергия фотона увеличивается с ростом частоты (или с уменьшением длины волны). Так, фотон фиолетового света (l=0.38 мкм) имеет большую энергию, чем фотон красного света (l=0.77 мкм).

Интересно, что в статье Кочеткова А.В. и Федотова П.В. утверждается, что в формуле Эйнштейна содержится парадокс, поскольку происходит смешивание понятий «излучение» и «фотон». Апеллируя Эйнштейну, авторы предъявляют новую интерпретацию формулы с учетом дополнительного коэффициента, причем указывают, что «вывод формулы связи энергии и массы Эйнштейна относится именно к излучению, а не к отдельным фотонам» [3]. Кочетков А.В. и Федотов П.В. подчеркивают, что формула выводилась Эйнштейном именно для излучения, которое может состоять не из единичного, а из множества фотонов, ведь уже при выводе Эйнштейн говорит о том, что одновременно излучаются две волны, что аналогично выражению «излучаются два фотона» [4]. Авторы постулируют, таким образом, что вывод формулы связи энергии и массы Эйнштейна относится именно к излучению, а не к отдельным фотонам. Для того чтобы из энергии излучения получить энергию единичного фотона, необходимо энергию излучения, которая входит в формулу Эйнштейна, поделить на количество фотонов в излучении.

Отметим, что квантовая радиофизика прагматично понимает фотон как квазичастицу, которая характеризует «возбуждение нормальной моды электромагнитного поля (ЭМП)» [1], как пишет об этом А.Т. Гаврилин. Даже в макроскопических масштабах пространственные размеры квазичастицы велики

При постановке вопросов в процессе современных экспериментов озвучиваются аспекты «квантовой телепортации», передачи оптических сигналов по квантовым каналам связи, в целом, пространственно-временной локализации материальных переносчиков элементарных единиц информации.

Волновая функция микросистемы в координатном представлении отвечает на такие вопросы в нерелятивистской квантовой механике. Вообще, по отношению к фотону, ранее под сомнение ставилась возможность такой функции и ее целесообразность, да и до сих пор спорными остаются аспекты одинаковой скорости распространения фотонов всех частот; способа сохранения фотонами относительной целостности своей структуры на протяжении многомиллионного светового движения в пространстве; волновые свойства фотона как частицы при интерференционной картине потока фотонов и одновременной дифракции на щелях.

Фотон обладает не только исключительно стабильной собственной частотой и резонансной структурой, но и высокой добротностью. Подобная устойчивость в структуре наблюдается у нелинейных объектов, например, солитонов. Однако нелинейные объекты характеризуются наличием множества собственных частот, что связано с нелинейными преобразованиями, а в случае фотона при нормальных условиях, признаков нелинейности не наблюдается. Дифракция фотонов на периодических кристаллических решетках показывает, что его структура поддерживает вибрации на одной определённой частоте, называемой собственной частотой фотона.

Традиционно, ортодоксальная квантовая механика объясняет волновые свойства фотона как проявление его статистического поведения, а его волновую функцию трактуют как функцию распределения вероятности нахождения в определенном месте пространства. То есть, согласно этому толкованию, фотон является частицей, однако место нахождения частицы случайно, и подчиняется вероятностным законам статистики, описываемыми волновым уравнением.

Интерференционная картина рассеяния когерентного луча фотонов на решетке щелей объясняется тем, что в когерентном потоке взаимное расположение фотонов строго согласовано. Поскольку каждый отдельно взятый фотон обладает протяжённой пространственной структурой, констатируем, что в когерентном луче фотоны скоординированы взаимно по фазе и по пространственной ориентации, что указывает на классическое волновое поведение.

Например, в процессе исследования канадские ученые зафиксировали «запутанность» поляризации случайного единичного фотона с распределением в пространстве другого случайного фотона, причем эта «запутанность» приобрела вид оптической вихревой решетки. Сделав томографию возможных состояний, одновременно измеряя степень соответствия, физики смогли доказать наличие запутанности, опубликовав результаты в Physical Review A [9].

Дело в том, что квантовая механика долгое время считала орбитальный момент атрибутом связанных систем, движущихся вокруг центра притяжения частиц. Движение свободных частицы в физике описывалось состоянием с импульсом, а также поляризацией. Но в теории присутствует возможность обладания свободных частиц орбитальным моментом, причем в последнее время фиксируются сообщения ученых о пространственном закручивании фотонов.

Надо отметить, что особый интерес к закрученному свету связан, прежде всего, с тем, что ранее орбитальный момент у фотонов не наблюдался. К числу его характеристик можно отнести винтовой фронт с центровой сингулярностью, иначе называемым геликоидальным. Именно поэтому такой фронт - экземпляр структурированного света.

Пространственно-модулирующие оптические элементы позволяют формировать целые решетки из закрученного света, способствующие сохранению классической и квантовой информации и делающие возможным измерение положения атомов. В целом, как показали развернутые исследования, можно запутать поляризацию одиночного фотона с орбитальным моментом, переместив этот эффект в квантовый режим.

В Университете Уотерлу физики смогли продвинуться в исследованиях и запутать поляризацию единичного фотона с волновым фронтом другого, при этом, использование процедуры томографии квантовых состояний, сделало возможным доказывание наличия этой запутанности. Подобная корреляция способствует реализации протокола подготовки удаленного состояния, полезного при создании крупногабаритных квантовых сетей.

Генерация запутанных фотонных пар потребовала применения спонтанного параметрического рассеяния в периодически поляризованном кристалле титанилфосфата калия длиной один сантиметр. Кристалл накачивается светом непрерывного диодного лазера с длиной волны 404 нанометров. Сигнальный и холостой фотоны при этом имеют энергетическое распределение шириной 0,4 нанометра и серединой на 808 нанометров.

В последствии сигнальный фотон через увеличительную оптику направляется на серию призм, которые генерируют оптические вихревые решетки, выходя из которых, волновой фронт фотона обретает массив фазовых сингулярностей. Далее фотон попадает на аналитический блок, который состоит из полуволновой и четвертьволновой пластинок и светоделителя, наконец, регистрируется камерой. Установка настроена таким образом, чтобы регистрация происходила непосредственно после того, как холостой фотон проходил через собственный аналитический блок и попадал в лавинный светодиод, связанный с камерой. Томографически измеряется сигнальный и холостой фотон во всех 16 комбинациях, сформированных из двух возможных поляризаций плоского и кругового базисов каждой из частиц. Каждая комбинация потребовала накопления сигналов 2000 фотонов.

Итогом исследований стало получение изображения сложных решетчатых структур для каждой из комбинаций поляризаций фотонов, которые можно было сравнить с имеющимися теоретическими предпосылками. Изображения пребывают в качественном согласии, однако имеются некоторые объяснимые искажения, связанные с трудностями в настройке и поддержании нужных фаз при выравнивании призм. Также была исследована степень схожести квантовых состояний (fidelity) состояний в каждом пикселе и построена соответствующая гистограмма распределения, из которой следовало, что в 42,5 процентах случаев степень совпадения превышает 0,5 с одним из четырех белловских состояний, это, несомненно, свидетельствует о запутанности между фотонами. Эта цифра меньше, чем значение, получаемое в идеальных условиях и равное 85,7 процентам. Разницу между ними авторы объяснили белым шумом.

Подводя итоги, отметим, что расчет параметров совпадения, отличающихся от нуля, и говорящих о наличии запутанности, позволил говорить о будущем планировании увеличения числа призм для достижения больших квантовых орбитальных чисел, что приведет к расширению представлений об измерении энергии и пространственного положения и обогащению алфавита для кодирования спин-орбитальных состояний.

Список использованной литературы и источников

 

1. Гаврилин А.Т. Об амплитуде вероятности местоположения фотона // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского – 2011 - № 6 (1) – С. 70–74
2. Гроо В. Я. Фотоны и структура фотонного поля [Текст] / В. Я. Гроо, В. В. Шешуков. - Челябинск : [б. и.], 2010. - 11, [1] с. : ил., цв. ил.; 20 см.; ISBN 978-5-87184-488-5 : 100
3. Кочетков А.В., Федотов П.В. Общая теория относительности и параметрический постньютоновский формализм // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. №4. [Электронный ресурс]. URL: http://naukovedenie.ru_45tvn313.
4. Кочетков А.В., Федотов П.В. Энергия фотона или энергия излучений: уточненный вид формулы А. Эйнштейна // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» - Том 7 - №6 (2015) // http://naukovedenie.ru/PDF/71TVN615.pdf (доступ свободный).
5. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике: Справочник/Г. Г. Гурзадян, В. Г. Дмитриев, Д. Н. Никогосян. — М.: Радио и связь, 1991.— 160 с: ил. ISBN 5-256-00859-5
6. Прикладная нелинейная оптика / В. Г. Дмитриев, Л. В. Тарасов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2004 (Вологда : ПФ Полиграфист). - 512 с.: ил., табл.; 22 см.; ISBN 5-9221-0453-5 (в пер.)
7. Самарцев В. В. Коррелированные фотоны и их применение. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. — 168 с. — ISBN 978-5-9221-1511-7.
8. Учватов В. И. Звезды и фотоны [Текст] / Учватов В. И., Учватова В. П. - Москва: ООО "Адвансед солюшнз", 2013. - 207, [1] с.: ил., табл., цв. ил.; 21 см.; ISBN 978-5-904269-72-2
9. Хамадеев М. Физики запутали поляризацию и пространственное положение фотонов// https://nplus1.ru/news/2021/11/24/LOV

1. file0.docx (20,7 КБ)

Опубликовано: 24.09.2024