Представим простую ситуацию. Есть поверхность воды. По ней распространяются волны.
Чаще всего волны движутся параллельно друг другу и это не мешает процессу их распространения. Однако в некоторых регионах встречаются волны, которые следуют в противоположных направлениях и пересекаются под углом.
Они называются перекрёстными и демонстрируют простое физическое явление - механические волны могут распространятся таким образом, что встретятся и будут "мешать" друг другу. Дальше мы имеем всю гамму процессов, связанных с волновыми взаимодействиями. Конечный результат будет зависеть от параметров исходных волн. Например, волны могут интерферировать (или складываться) и при несовпадении параметров "заглушат" друг друга.
Такой эффект широко применяется на практике. Например, если вы посмотрите на современные наушники с активным шумоподавлением, то увидите иллюстрации работы этого физического явления.
Шумоподавление в наушниках работает на основе принципа деструктивной интерференции звуковых волн, которые тоже являются механическими. Система генерирует звуковые волны, которые имеют противоположную внешним шумовым волнам фазу и когда волны пересекаются, они начинают "взаимно уничтожать друг друга". Это приводит к снижению шума.
Пока всё это механическое и работает в некоторой локации типа водоёма или воздушного пространства, всё кажется логичным и простым. Обычная механика, которую можно пощупать. Да и взаимодействие очевидное и подчиняется школьной физике. Но подумайте вот над чем.
Свет, который мы видим - это тоже волна. И пускай тут целая история про корпускулярно-волновой дуализм, но базовая логика в описании современной природы света отталкивается именно от его волновых свойств. Впрочем, и фотоны в современных источниках описываются давно уже не как "мячики" или частицы.
Вывод из сказанного только один. Весь свет вокруг нас априори представляет собой электромагнитные волны. Каждый источник света будет инициировать появление собственных колебаний в среде, которые будут распространяться и визуализировать процесс можно как работу волны на глади моря из примера выше. При огромном количестве таких колебаний волны будут неизбежно встречаться друг с другом и рано или поздно параметры должны сгруппироваться таким образом, что лучи начнут мешать собственному распространению.
Волны в противофазе будут гасить друг друга посредством эффекта интерференции, а для нас бы это было чёрными пятнами без всякого света. Но мы не видим таких "пустых зон". При этом физика процесса должна быть аналогична работе наушника с шумоподавлением.
Учебник тут утверждает, что лучи разного или одного цвета никогда не мешают друг другу, свободно проходят друг через друга и никак не взаимодействуют между собой. Стандартный ответ любого учителя физики будет аналогичен - белый свет не мешает другому белому свету. Вот только, это очень упрощенный ответ, который не раскрывает природы процесса.
Причем, даже если мы обратимся к корпускулярным представлениям о природе света (что сегодня считается неправильным), то проблема не разрешится. Вместо огромного количество колебаний в пространстве будет невероятное количество фотонов, которые как теннисные мячики начнут летать и соударяться друг с другом. В этом случае свет тоже неизбежно мешает сам себе, хотя такой взгляд мы сейчас обсуждать не будем и он давно не актуален. При этом если мы будем анализировать вопрос применительно к фотонам (чем бы они не являлись), то тоже найдём один лишь ответ - фотоны не взаимодействуют друг с другом.
Почему это так? Более или менее объективно звучит, что согласно принципу суперпозиции полей две различные электромагнитные волны, проходя одновременно через одну точку пространства, не оказывают влияния друг на друга.
Это утверждение принимается без доказательств, а в эксперименте ни разу не был зафиксирован обратный эффект. Но по факту мы имеем постулат. В очередной раз это противоречит некоторой разумной логике, поскольку интуитивно хочется сказать, что свет мешает сам себе при распространении. И да, в реальности процесс куда более сложный, чем кажется на первый взгляд.
При более тщательном анализе источников информации можно выяснить, что взаимодействие фотонов всё-таки упоминается.
Утверждается, что на самом деле фотоны могут рассеиваться друг на друге "косвенно", через промежуточные виртуальные электрон-позитронные пары. Поперечное сечение функции (или вероятность такого события) очень мала, потому что диаграмма Фейнмана имеет четыре вершины в отличие от двух при межэлектронном рассеянии. Переводя это на "человеческий" получается, что два белых луча всё же будут взаимодействовать и могут мешать друг другу.
По сути это должно было бы привести к появлению тех самых черных пятен в пространстве, где нет никакого света. Тогда почему мы их не видим?
Ответ на поверхности - слишком большое количество прочих источников и небольшой "охват" поля зрения человека. Сложные численные методы могут выявить нечто большее, чем просто одно пятно в пространстве. Объект может быть окружен концентрическими световыми кольцами или подобными артефактами, яркость которых быстро уменьшается, а визуально оно будет неотличимо от гомогенной среды.
На изображении слева показан "крест Эйнштейна" (четыре пятна света), созданный гравитационной линзой, рассчитанной с использованием метода стационарной фазы или геометрической оптики. Изображение справа показывает то же самое, но используется более сложное численное интегрирование. Процесс сложного моделирования приводит к пониманию, что между пятнами тоже есть свет.
Это говорит о том, что даже если в окружающем пространстве нас будут окружать такие "тёмные пятна", то наблюдать их посредством "обычного" зрения будет просто невозможно. Соответственно, и аргумент относительно взаимодействия световых волн, опирающийся на простое зрительное наблюдение, не будет иметь никакого значения.
Из написанного следует, что свет всё-таки "мешает" распространяться сам себе? По всей видимости, это так. Общепринятое утверждение тут выступает в роли упрощения из серии школьных задачек, где "силой трения пренебречь". Такой вывод можно сделать хотя из сведений о взаимодействии фотонов, которое всё-таки наблюдается, но не столь линейно. При этом предполагается, что взаимодействие двух световых волн более вероятно при увеличении частоты исходных потоков.
Впрочем, тут важно обозначить, что речь в обсуждении идёт про самый обычный свет, испускаемый самыми разными источниками вокруг нас. Никто не говорит про как таковую невозможность световой интерференции. При прочтении материала может сложиться впечатление, что я полностью исключаю этот физический процесс. Но мы говорим про взаимодействия света от произвольных источников с разными параметрами. Интерферировать же могут только когерентные световые лучи. Это волны одинаковой частоты, между которыми сохраняется постоянная разность фаз (то есть они согласованы по фазе). Эта информация не является новостью или шоком.
Буду рад видеть вас в Telegram-канале моего проекта. Я регулярно разбираю разные интересные темы.
Комментарии (54)
Shura_m
20.11.2024 10:44Мне кажется, что дело в количестве фотонов.
Даже если вдруг два фотона и вступят во взаимодействие и аннигилируются, то в общей массе никто этого не заметит
Ученые научились регистрировать одиночные фотоны, но вот попасть фотоном в фотон наверное не получится.
Вот если бы свет был одной длинной-предлинной волной, то наблюдать взаимодействие (если бы оно было) было бы проще
40kTons
20.11.2024 10:44Вот если бы свет был одной длинной-предлинной волной, то наблюдать взаимодействие (если бы оно было) было бы проще
Если свет это просто ЭМ волна определенного диапазона длин волн, то почему бы просто не сгенерировать такую длинную волну и пронаблюдать взаимодействие, и после этого попробовать понять как это поможет в понимании взаимодействия ЭМ волн с длинами поменьше?
AxGxP
20.11.2024 10:44Если я правильно понимаю, о фотонах можно говорить только в момент их рождения и смерти, ну а между этими моментами свет распространяется в виде волны. Так что никакие отдельные фотоны не летят, соответственно они не могут взаимодействовать и сталкиваться друг с другом.
BugM
20.11.2024 10:44Не правильно. Фотоны вполне себе можно регистрировать поштучно и это порождает разные необъяснимые эффекты. Буквально необъяснимые, наука не знает и не понимает как и почему это так работает.
Фотоны и летят и не летят одновременно. Пока мы не попробуем на посмотреть на эти конкретные фотоны.
VnNort
20.11.2024 10:44Если я правильно понимаю, то когда мы их регистрирует поштучно, то это просто волновая функция схлопывается. Если бы не пытались регистрировать, то осталась бы просто волновая функция.
papa_inura
20.11.2024 10:44А как вы обнаружите свет не регистрируя его?
VnNort
20.11.2024 10:44В том и дело, что никак)
papa_inura
20.11.2024 10:44Тогда откуда мысль, что реально существует какая-то волновая функция? Всё что нам известно - это то, что волновая функция правильно описывает взаимодействие.
papa_inura
20.11.2024 10:44Нет никаких необъяснимых эффектов, если не думать о фотонах как о частицах или как о волнах. Всё легко объясняется тем, что фотоны - эт оне частицы в классическом понимании и не волны, а квантовые объекты, и ведут себя в точности как квантовые объекты.
BugM
20.11.2024 10:44Нормальных объяснений отложенному квантовому ластику нет. Даже к причинно-следственной связи есть вопросики. Как не думай.
papa_inura
20.11.2024 10:44Сформулируйте, пожалуйста, ваши вопросы к причиноследственной связи в контектсе упомянутового вами эксперимента. Постараемся их разрешить ))
BugM
20.11.2024 10:44Вики с описанием. Регистрация фотона как частицы происходит после того как он отобразился как частица на экране.
Интересен такой же эксперимент, но с сильно отложенным ластиком. Например на час. И рандомное (ядерный распад ок) разрывание цепей запрещающее регистрацию где-то посреди часа. Предполагаемый результат: по картинке на экране можно точно предсказать абсолютно случайное событие в будущем.
papa_inura
20.11.2024 10:44Во всех этих экспериментах причиноследственные связи не нарушаются. Речь идёт токльо о статистических интерференционных картинах в сложных квантовых системах, где сама эта картин азависит от того, как вы выбираете конкретные события.
Т.е. того, что вы пишите "Регистрация фотона как частицы происходит после того как он отобразился как частица на экране. " не происходит. Точнее ваш вопрос можно сформулировать так: как фотон узнает интерферировать ему или нет, до того, как он провзаимодействует с проверочными детекторами. Но тут всё стоновится довольно понятно, если задать себе такой вопрос: А с какой стати, я или вы мыслити о фотоне как о классической частице, которая куда-то летит во времени и в пространстве и взаимодействует с нашими детекторами по привычной нам схеме? Единственное, что мы можем, это с помощью гипотетического, если хотите, модельного фотона описать наш эксперимент. А по факту мы лишь регистрируем взаимодествие на детекторах непосредствено и на зеркалах и делителях косвено. Т.е. единственное, о чём мы посуществу можем говорить - это только законы взаимодействия заряженных частиц в нашей установке. И лишь в нашей модели описания этого взаимодействия мы используем некоторую гипотетическую частицу с нулевой массой и двигающуюся со скоростью света. При этом даже исходя из специальной теории относительности мы не можем ясно описать мир с точки зрения такой частицы, так как исходя из математики СТО время для фотона останавливается, а пространство схлопывается в плоскость.BugM
20.11.2024 10:44Она совершенно точно взаимодействует с детектором. Детектор реагирует же.
Она не менее точно взаимодействует с экраном. Картинку видим же.
Взаимодействие с детектором происходит позже взаимодействия с экраном. Это тоже совершенно точно. Часы проверили, дизайн эксперимента проверили.
Результат взаимодействия с детектором зависит от того что мы видим на экране. Смотрим порядок событий на абсолютной временной шкале.
При этом картинка на экране зависит от того будет ли в будущем взаимодействие с детекторами. Будущее тоже по абсолютной временной шкале.
Ну и логичное развитие эксперимента. Сделать так что наличие события взаимодействия с детекторами начиная с некоторого момента во времени будет зависеть от абсолютной случайности. При этом картинка на экране уже должна быть сформирована в будущее.
papa_inura
20.11.2024 10:44Вот это вот "Взаимодействие с детектором происходит позже взаимодействия с экраном " - в какой системе отсчёта? Вопрос на подумоть.
Не существует никакой абсолютной временной шкалы. Время относительно в любом случае.BugM
20.11.2024 10:44В той же в которой весь эксперимент идет. Инерциальная, без ускорений, все как полагается. Фотоны можно заменить на частицы с массой чтобы с их локальным временем приколов не было.
Концепция раньше и позже работает для всего что участвует в эксперименте одинаково. То что позже для наблюдателя, позже и для частицы.
papa_inura
20.11.2024 10:44Вот когда проведут подобный жксперимент с электроном, например, вот тогда будет разговор.
papa_inura
20.11.2024 10:44В любом случае, втой же статье говорится: Фактически, теорема, доказанная Филиппом Эберхардом, показывает, что, если верны принятые уравнения релятивистской квантовой теории поля, должно быть невозможно экспериментально нарушить причинность, используя квантовые эффекты.
BugM
20.11.2024 10:44Она не нарушается в прямом смысле. Она ведет себя необъяснимым образом.
Причинность для частиц едет в каком-то не том направлении. Причина поведение - наблюдение которого еще нет.
papa_inura
20.11.2024 10:44Одновременность событий - относительное понятие. И порядок событий - тоже.
BugM
20.11.2024 10:44Покажете эксперимент где порядок нарушается? И не вот этот с ластиком, а что-то понятно объясненное.
papa_inura
20.11.2024 10:44Читайте про "Смысл знака квадрата интервала" в специальной теории относительности.
Для каждого события существуют области абсолютного будущего, абсолютного прошлого и абсолютного удаления. Квадрат интервала между этим событием и событиями в области абсолютного удаления меньше нуля, т.е. интервал пространственноподобный. В разных системах отсчёта эти события могут происходить как до, так и после нашего изначального события, и причиноследственные связи между этими событиями невозможны.
BugM
20.11.2024 10:44Ну тут все просто. Разносим события подальше. Чтобы никаких неопределенностей не было. Кажется это сразу в дизайне эксперимента учитывается.
papa_inura
20.11.2024 10:44Ну так с фотонами так не выйдет, они все со скорости света "двигаются" )) А с электронами... Таких экспериментов не было.
BugM
20.11.2024 10:44С частицами имеющими массу опыты были. Результат тот же. Но предположение на самом деле хорошее. Фотон и время сколькая тема. Оно могло бы все объяснить.
papa_inura
20.11.2024 10:44Всё верно. Фотоны - это кванты ЭМ-взаимодействия. Следовательно без взаимодействующих частиц нет и фотонов.
ildarz
Так о чем вообще текст тогда? Ах, простите, о приглашении в телеграм-канал...
AxGxP
К сожалению заголовок опять ввел в заблуждение... Жаль, думал, что то новое, интересное.