A fizika kalandja

Mi a foton: részecske vagy hullám? Egyik se!

2018. november 05. - 38Rocky

 

Hosszú ideje folyik a vita a tudományon belül is, meg azon kívül is, hogyan egyeztethető össze a foton részecske és hullám természete? A kérdés tisztázásához először fogalmazzuk meg, hogy mit értünk részecskén és mit hullámon.

 

A részecske fogalma

 

A részecskére gondolva egy golyó, vagy labda jut eszünkbe. De hogyan fogjuk fel a labda fogalmát. Ha egy teniszmeccset nézünk, láthatjuk a labda útját, ahogyan az ütőről a pályára érkezik, de nem csak a labdát látjuk, hanem látjuk a pályát kijelölő vonalakat is. A fotonok folytonosan érkeznek a labdáról, amit akár videóra is vehetünk. Így jutunk el ahhoz a képhez, amely leírja a labda mozgását a pályáról érkező további fotonok sokasága által kitűzött térben. Eszerint a labda pozícióját minden pillanatban meghatározhatjuk. Ez a kép él bennünk akkor is, amikor a foton részecske jellegéről beszélünk. Ne feledjük azonban, hogy ez a leírás nagyszámú foton megfigyelésén alapul. Ez alapvetően makroszkopikus leírás egy elemi objektum számára.

 

Ismerhetjük-e a foton pályáját?

 

Mit is tudunk valójában a foton pályáról? Meghatározhatjuk kiinduló pontját, amikor például felkapcsoljuk a lámpát, és ezenkívül tudjuk az érkezés helyét is, ami lehet a szemünk vagy valamilyen detektáló eszköz. De hol van a foton, milyen pályát ír le a kiindulás és az érkezés között? Szemben a labdával, amelynek végig követhetjük az útját a foton közbenső mozgásáról nincs információnk. A lehetséges pályára csak következtethetünk. Ezt elősegíti, ha a lámpa és a megfigyelő helyzete közé valamilyen tárgyat teszünk eltakarva a fény útját. Ebből következtetünk arra, hogy a fény egyenes úton közlekedik.

A dolog azonban nem ilyen egyszerű! Tegyünk egy fényt át- nem-eresztő burát a fényforrás köré, és legyen rajta egy parányi lyuk, amelynek sugara kisebb a fény hullámhosszánál. Ekkor a fény java része elnyelődik, de ami kijut az már nem halad egyenes mentén, hanem minden irányban szétszóródik.  Ezt a jelenséget hívjuk fényszóródásnak.

 

A két-réses kísérlet

 

Bonyolítsuk tovább a kísérletet és legyen két apró rés a burán és használjunk monokromatikus (azonos hullámhosszú fotonokból álló) fényforrást. Ekkor minkét lyukon kilépnek a szóródó fotonok, amit egy fényérzékeny lemezen észlelhetünk. A lemezen periodikusan sávok jelennek meg: egyes helyeken maximális intenzitással, amelyet üres sávok választanak el. Ezt nevezzük interferenciának, amely már a gömbhullám modellel értelmezhető. A sávok szerkezetét a két lyuktól mért távolságok különbségével értelmezhetjük: ott lesz a maximum, ahol a különbség a hullámhossz egész számú többszöröse és a kettő között lesznek az üres csíkok. Huygens szerint a gömbhullám úgy jön létre, hogy annak minden egyes pontja újabb gömbhullámot indít el és ezeknek a gömbfelületeknek az eredője határozza meg, hogy a fény reakcióba léphet-e a fényérzékeny lemez valamelyik atomjával, vagy molekulájával, amely így nyomot hagy. Ott figyelhetjük meg a nyomot: ahol a két résből induló hullám fázisa egyezik, ahol viszont ellentétes a fázis ott nem lesz fotokémiai reakció.

 

Honnan származik a hullám fogalma?

 

De vessük fel a kérdést: mit is értünk hullámok alatt? Gondolhatunk a víz gyűrűző hullámaira, vagy a levegőben kialakuló rezgésekre, a hangra, amely periodikusan változó nyomáskülönbségek révén jut el a fülünkbe, de gondolhatunk földrengésekre is. Valamennyi esetben van egy közeg, ami a rezgéseket végzi, ez a rezgés az alkotó elemek, például molekulák összehangolt mozgásán alapul. A lényeg, hogy mindennapi tapasztalataink makroszkopikus képet rajzolnak meg számunkra, a hullámok esetén sohasem egyetlen akár pontszerű objektum mozgásáról van szó, hanem apró elemek sokasága hozza létre a periodikus jelenséget. Felvetődik a kérdés, vajon mi is rezeg a fény esetén, lenne valamilyen titokzatos éter, amelyik a periodikus változás hordozója? Az elektrodinamika elektromos és mágneses mezők időben és térbeli periodikus változásáról beszél. Tekinthetjük-e ezeket a mezőket „anyaginak”, abban az értelemben, ahogy a levegőt, vagy a vizet?

 

Az elektromos és mágneses mező

 

Gondoljuk végig, hogy mit is ért a fizika az elektromos és mágneses mező alatt? A mező a kölcsönhatás LEHETŐSÉGE. Például az elektromos mező megmondja, ha valahol elhelyezünk egységnyi töltést, akkor arra mekkora erő hat. A mágneses mező esetén pedig a mozgó töltések által keltett áramokra való erőhatásról beszélünk. Az egyik esetben a Coulomb erő, a másikban a Lorentz erőről van szó. Amikor úgy írjuk le a fotont, mint periodikus elektromos és mágneses mezőt, akkor arról van szó, hogy a tér valamelyik pontján a fény valamilyen erővel hat a töltésre, ha azt oda helyezzük. A fényt hullámként képzeljük el, amelyik a kölcsönhatás előtt – tehát vákuumban is – képes lehet periodikusan változó erőhatást kifejteni. Hangsúlyozni kell, hogy noha nincs kölcsönhatás az üres térben, csak annak lehetőségéről beszélünk, mégis köznapi gondolkozásunk ugyanolyan valóságtartalmat tulajdonít a fotonnak és az erőmezőnek, mintha az szemünkkel követhető teniszlabda, vagy hullám lenne! Tulajdonképpen amikor a fizikában matematikailag leírjuk a fotont egy periodikusan változó függvénnyel, csak egy elképzelt pályát öntünk matematikai formába!

 

A kölcsönhatás lehetősége és létrejötte

 

Mi a különbség az erőhatás lehetősége és a ténylegesen megvalósult kölcsönhatás között? Gondoljunk a totóra. Ha kitöltjük a szelvényt, akkor számba vesszük az esélyeket: milyen formában vannak a csapatok, mit számít a hazai pálya előnye. Ha a hazai csapatot látjuk esélyesebbnek, akkor 1-est írunk, ha a vendégcsapatban bízunk jobban, akkor 2-est, ha nem tudjuk a kérdést eldönteni, akkor választjuk az X-et. A mérkőzés lejátszása előtt tehát csak esélyekről, valószínűségekről beszélhetünk. A valószínűségből akkor lesz bizonyosság, amikor a bíró sípjával a mérkőzés végét jelzi. Valahogy így vagyunk a kvantummechanikában is, amikor felvetjük a kérdést, hogy hol lehet például az elektron az atomban, mekkora valószínűséggel mondhatjuk meg egy részecske impulzusát, energiáját a mérés előtt. Ezt a valószínűséget határozzuk meg a hullámfüggvény segítségével, amikor valószínűségi eloszlásról, vagy átmeneti valószínűségről beszélünk. A mérés előtti „totózással” szemben a mérés már egy határozott értéket ad meg az egyes fizikai mennyiségek számára, már nincs szó valószínűségről csak konkrét mérési értékekről. Ezt hívja a kvantummechanika a hullámfüggvény redukciójának. Viszont nem a hullámfüggvény változik meg, csak a mi ismeretünk a vizsgált mikro objektumról, hasonlóan ahhoz, amikor ott vagyunk a futballpályán, vagy halljuk a közvetítést, amelyik beszámol a mérkőzés eredményéről.

 

Az interferencia jelensége

 

Térjünk vissza a két-réses kísérletre. Az interferencia megfigyeléséhez sok foton kell, ezek érkezhetnek egyszerre, de elvben egyesével is. Technikailag az egyedi fotonok megfigyelése nem könnyű, de megvalósítható. Nyomot hagy az első foton valahol a fényérzékeny lemezen. Milyen következtetést vonhatunk le ebből? Gondolhatjuk azt is, hogy az első résen haladt át a foton, ahonnan oda pattant a megfigyelt helyre, de lehet, hogy a mások résről került oda. De gondolhatunk arra is, hogy mint hullám haladt át és a fázisok találkozása váltotta ki a reakciót. Valójában nem tudjuk eldönteni a kérdést. Mondhatjuk, hogy épp oda érkezett meg a foton, ahol az interferencia maximuma volt. De ha már interferencia maximumokról és minimumokról beszélünk, akkor gondolatban kiegészítettük az információt avval, amit nagyszámú foton előzőleg létrehozott. Tehát nem csak egyetlen foton hatásáról mondtunk valamit, hanem sok fotonéról. Megfigyelhetjük az egymás után érkező fotonok összegzett hatását, amely végül kirajzolja az interferenciaképet, de ez már sok foton nyom megfigyelésének felel meg. Tehát a fotonok hullámmodelljéhez csak akkor juthatunk el, ha nagyszámú fotont figyelünk meg.

 

Melyik résen bújik át a foton?

 

A kérdés felvethető a két-réses kísérletben, hogy az egyesével indított fotonok melyik résen bújnak át még a detektálás előtt. Már ez a kérdésfelvetés is a részecskefelfogást tükrözi. Kísérletet tettek a kérdés tisztázására detektorokat állítva a két réshez. Az derült ki, hogy amikor valamelyik detektor megszólal a foton már nem hoz létre interferenciát, azaz a foton érkezési gyakorisága nem kisebb az interferencia minimum helyén a maximum pozíciójához képest. Ennek oka, hogy a detektálás megváltoztatja a foton eredeti fázisát, amely így nem hozhat létre interferenciát. 

De ne kerüljük meg a kérdést, ha van interferencia, hogyan bújhat át az egyedi foton két résen át mielőtt nyomot hagy a fényérzékeny lemezen?. A válasz az, hogy nem a foton, mint fizikai objektum, például egy labda bújik át a réseken, hanem a LEHETŐSÉGEK összegződnek, amely által létrejön a kölcsönhatás. A foton kölcsönhatási képessége attól függ, hogy milyen irányú a kétféle úton érkező erőmező, ha egyezik az irány, akkor összeadódnak, ha ellentétes, akkor az erők kioltják egymást. Megszokott világunkban ez a megkülönböztetés nem érthető, mert ott nem válik szét a test tényleges helyzete és az a lehetőség, hogy erőhatást gyakoroljon. A különbség onnan fakad, hogy a labda teljes útját nyomon tudjuk követni, szemben a fotonnal, amelyről a kölcsönhatás előtt nem rendelkezünk információval, minden, amit a pályáról állítunk csupán közvetlen megfigyeléssel nem igazolható gondolati termék.

 

Összegző megállapítások

 

 Összegezzük az elmondottakat. A kölcsönhatás szempontjából a lehetőségeket kell számba venni, a két rés két lehetőséget vet fel. A lehetőségeket pedig a valószínűség szabályai alapján kell összevetni. Mivel az elektromos és mágneses mező periodikusan változik, így végeredményben a különböző irányú erők eredője határozza meg, hogy létrejöhet-e a foton által kiváltott reakció. A hullámmodellt tehát úgy kell értelmezni, hogy nem valamilyen anyagi objektum hozza létre, hanem a lehetőségek periodikusan változó irányfüggése. A foton tehát se nem részecske, se nem hullám, hanem a térben hullámokban terjedő KÉPESSÉG. Amikor a képesség realizálódik, használhatjuk a foton leírására a részecske képet.

 

Fenn marad a kérdés, hogy mi hordozza a foton kölcsönhatási képességét? A választ Einstein gravitációs elmélete nyomán adhatjuk meg. A gravitációs erő forrása a tér görbülete. A mozgás a görbületek mentén halad, és minthogy a mozgást egyenes euklideszi koordináták mentén érzékeljük és írjuk le, így fellép a nagyobb görbület irányába mutató gyorsulás, amit a gravitációs erő hatásaként értelmezünk. Csillagászati katasztrófák nyomán a görbült tér hullámszerűen terjed, amit a sok kilométer méretű LIGO kísérletekben észlelni is tudunk. A tér görbül mikro méretekben is lokális fénysebességű forgások hatására – ez felel meg a részecskék világának beleértve a fotonokat is –  és a mikro görbület hullámokban terjedhet tovább. Ez hívjuk elektromágneses hullámoknak. Tehát a hullámok hordozója nem valamilyen éter, hanem a tér maga. A két-réses kísérletben szereplő fotonok mozgása sem más, mint a periodikusan változó tértorzulás áthullámzása a réseken át. Ezt az elképzelést fejtem ki részletesen „A kvantummechanikán innen és túl. A fénysebességű forgás koncepciója” című könyvemben.

 

A blog egyéb írásai érhetők el „Paradigmaváltás a fizikában” című íráson keresztül

 

A bejegyzés trackback címe:

https://afizikakalandja.blog.hu/api/trackback/id/tr2814353687

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

wmiki · http://kigondoltam.blog.hu/2014/07/20/stephen_hawking_538 2018.11.05. 20:27:47

Tudomány: a nem tudás szektája.
Csak ne lenne kötelező...

38Rocky 2018.11.05. 22:28:02

@wmiki: Evvel a megállapítással nem lehet vitatkozni.

XL 2018.11.06. 10:17:33

Végre egy érthető magyarázat a fény duális természetéről!

38Rocky 2018.11.06. 10:44:12

@XL: Örülök a megjegyzésednek. A fény duális természetének megértéséhez többször neki futottam, mert sem a szakirodalomban, sem azon kívül nem találtam jó kapaszkodót. Hosszú út vezetett odáig, amíg eljutottam egy ellentmondásmentes magyarázathoz.

saci02 2018.11.06. 11:29:40

@wmiki: párolgó hülye gyerek, még mindig nem láttál evolúciót? Vagy az időjárás sem létezik?

lenörd hofstadter 2018.11.06. 15:53:00

"Mi a foton: részecske vagy hullám? Egyik se!"

Aha. Akkor mi? Maradjunk a valóságnál, részecske aminek a mozgása a hullámterjedés fizikai szabályait követi.

Bődületes sok baromságot hordtál össze.

38Rocky 2018.11.06. 21:51:15

@lenörd hofstadter: Persze, lehet ez a véleményed, de kár, hogy egyetlen konkrét érvet sem tudtál felhozni. Nyilván nem olvastad végig az írást, mert ott megtaláltad volna a választ arra a kérdésre, hogy mi a foton.

gregor man 2018.11.06. 22:12:47

"két rés két lehetőséget vet fel"

Három, vagy több réses kisérletet is végeztek? Egyvonalban, esetleg háromszög, vagy más alakzatban? Több lehetőség, több tanulság? :)

38Rocky 2018.11.06. 23:09:25

@gregor man: Nem néztem utána, hogy végeztek-e pl. 3 réses kísérletet, de az eredmény könnyen elképzelhető. Ekkor a csíkok találkozási pontja intenzív pontokat hozhat létre és az egyes csíkok intenzitása folytonosan változna. Sok "réses" kísérletet igen sokszor végeztek: ezt úgy hívják, hogy Röntgen-diffrakció

kpityu2 2018.11.07. 06:59:54

Véleményem szerint a foton kettős természetét Feynman: Q.E.D könyvében leírt tükörkísérlet mutatja be a legszemléletesebben. Ráadásul a határozatlansági relációt is egyértelművé teszi, plasztikusan bemutatva, hogy nem a mérőeszközök elégtelensége van az effektus mögött.

38Rocky 2018.11.07. 08:33:49

@kpityu2: Én alapvetően egyetértek Feynman koncepciójával, sőt a Q.E:D. könyv egyik kedvencem, amire sűrűn szoktam hivatkozni. Feynman kitűnően szemlélteti a fotonok hatását forgó nyilakkal, amelynek összegzési szabályai értelmezik hogyan jön ki például a fény egyenes vonalú mozgása, vagy a tükrözés és még sorolhatnám a jelenségek sorát, a látszólag kaotikusan haladó forgó nyilak összegzési szabályaiból. Feynman azt mondja, hogy ezek a nyilak csupán matematikai szimbólumok és ezek szabály rendszere olyan bonyolult – gondolj például a kvantumelektrodinamika módszerére, ahogy az időtől függő perturbációelmélettel (Feynman diagramok) meghatározza az elektron anomális mágneses momentumát – hogy ennek fizikai tartalmat adni lehetetlen. Ez az a pont, amin én megpróbálok továbblépni. Szerintem a fotonok elmélete (ez magyarázza a könyv címét: „strange theory of light and matter”) éppen azt tükrözi, hogy a foton olyan gondolati konstrukció, amely képes kitűnő magyarázatot adni az elektromágnesesség (ebbe az optikát és a részecske fizikát is beleértve) valamennyi ismert jelenségére. Tehát Feynman nyilai valóban közvetlenül nem kapcsolhatók anyagi realitáshoz, hanem csak a foton kölcsönható képességét fejezik ki. Az egész írásom azt akarja hangsúlyozni, hogy a foton kölcsönhatási képességét el kell választani attól az állapottól, amikor a kölcsönhatás ténylegesen bekövetkezik (lásd totó hasonlat). Egyébként köszönöm észrevételed, mert az írásomban nem akartam elijeszteni senkit, avval, hogy Feynman kvantumelektrodinamikáját tárgyalom, de aki erre kíváncsi, az reflexiómból közelebb kerülhet a jelenség megértéseshez.

gregor man 2018.11.09. 22:06:06

Azt szoktad mondani, hogy a foton a kibocsátás és az elnyelődés közötti időben kölcsönhatás-mentes állapotban van, ezért nem igazán sokat tudhatunk róla.

Viszont a két-réses fal, valamilyen módon befolyásolja a foton/fotonok viselkedését, hisz interferenciát hoz létre. Ez nem valamiféle kölcsönhatás a fallal és annak réseivel, mégha nem is jár elnyelődéssel és fázismódosítással?
Valami módosulás/kölcsönhatás mégiscsak történik ahhoz képest, minha egy nagy lyukon interferencia nélkül jutna at a foton. Ha ez nem kölcsönhatás, akkor mi?

38Rocky 2018.11.10. 08:09:22

@gregor man: Itt az okozza a félreértést, hogy mindig csak arra az egyetlen fotonra gondolunk, amelyiktől végül az interferencia származik. Pedig ez csak egy szerencsés foton a sok közül. A kibocsátás után t idővel a fotonok egy c.t sugarú gömbfelületen léphetnek reakcióba valamelyik elektronnal, de lesz olyan, amelyik nem talál egyetlen partnert sem, ez juthat el a résekig. Ha csak két parányi rés van, akkor mondjuk 1000 foton közül talán egy lesz, amelyik nem nyelődik el és kilép a réseken és elindít egy-egy gömbhullámot. Emiatt, ha ontja is a fotonokat a lámpa, a burán kívül alig lesz fény. Ha egyesével gerjesztődnek a fotonok, akkor 1000 kibocsátás közül egy fog kijutni. Ez a foton tehát a bura elektronjaival való kölcsönhatás nélkül jut el a fényérzékeny lemezre. Tehát nem arra kell gondolni, hogy valamilyen kölcsönhatás lenne a foton és a rések között, hanem arra, hogy ez a kiszökött foton a bura zavaró hatása nélkül érkezik meg a lemezre, vagy pontosabban fogalmazva, ennek van lehetősége, hogy eljusson a fényérzékeny lemezig. Amikor csak egy rés van, akkor is ez a helyzet, de ekkor csak egyetlen lehetséges út vezet a detektáló lemezig, amiért nincs interferencia.

gregor man 2018.11.10. 12:34:21

Oké! A búrában elnyelődő fotonokat hagyjuk. Gondolom az átjutottaknak is csak egy része lép reakcióba a detektorral. Nézzük csak ezeket.

Azt írod: "a kiszökött foton a bura zavaró hatása nélkül érkezik meg a lemezre"

Tehát akár egy rés van akár kettő, a búrának nincs zavaró hatása, de az interferencia létrejötte mégiscsak függ a rések számától, sőt egymástól való távolságától is.

Az interferencia létrejöttéhez szükséges a fal a rajta lévő résekkel!

Ez nem a falon lévő rések általi, valamiféle befolyásolás? Mondjuk valamiféle szűrés/kiválasztás, vagy valamiféle befolyásolás a lehetőségek által, de hatás/befolyásolás, mégha nem is kölcsönhatás?

Én úgy gondolom, ha nem is fizikai, de valamilyen /matematikai?/ kapcsolatnak lennie kell a foton és a kétréses búra között.

38Rocky 2018.11.10. 14:15:33

@gregor man: Természetesen szűrőhatás van, amit a bura gyakorol. Bura nélkül a Huygens elv alapján a foton a c.t gömbön belül minden pontba eljut és ott új gömbhullámot kelt. A lényeg, hogy a bura kivágja a foton számára elérhető tértartomány jelentős részét. A bura, ha van rajta egy-vagy két rés, szabadon hagyja a gömbfelület kis darabját. Ha két rés van, akkor az ott keltett gömbhullámok interferenciája látható, ha csak egy rés van, akkor a kétféle úthossz hiánya miatt nem lehet interferencia.

gregor man 2018.11.14. 10:15:55

A kétréses kísérletet interferenciát mutatott elektronokkal, sőt atomokkal és, ha jól tudom kisebb molekulákkal is.
Hogy lehetséges ez, hisz az elektron a kéttengelyű forgás révén pozícióval rendelkezik. /Pontszerű!/

Az elektronra, atomokra, sőt kisebb molekulákra is igaz lenne a gömbhullámos terjedés?

38Rocky 2018.11.14. 15:10:35

@gregor man: Evvel kapcsolatban a kvantumelektrodinamika (QED) látásmódjára hivatkozhatok, amely egységes keretek között tárgyalja az elektronok (töltések) és a fotonok rendszerét mindkettőhöz oszcillátorokat rendelve. Az én látásmódom ettől csak abban különbözik, hogy én az oszcillátorokat fénysebességű forgásokkal jelenítem meg. A töltések közötti kölcsönhatást a virtuálisan kibocsátott és elnyelt fotonok közvetítik. Ezen keresztül jön létre az elektronok hullámszerű viselkedése, amelynek egyik megnyilvánulása az interferencia. Szintén ebbe az irányba mutat az elektronpályák szerkezete az atomokban, amelyet hullámfüggvényekkel írunk le. Ezeket a pályákat úgy foghatjuk fel, mint állóhullámokat. Az elektron tehát önmagában pontszerű részecske, de amikor útra kel, vagy egy atomban kötött pályán tartózkodik, már hullám tulajdonságokat vesz fel.

gregor man 2018.12.01. 21:25:10

Ezt is megértük! Megszámolták hány foton van az "égen". :) /Vagy nem./

"A mérések szerint a csillagok általi kibocsátás után az űrbe kikerült fotonok (látható fényrészecskék) mennyisége 4-szer 10 a 84.-en."

index.hu/techtud/2018/12/01/megmertek_a_valaha_kibocsatott_osszes_csillagfeny_mennyiseget/

És köszi a választ is, aminek megérétéséhez az új bejegyzés is fontos!

38Rocky 2018.12.02. 09:32:35

@gregor man: Igen, a múltkori kérdésedre akartam kimerítő választ adni, mert a kérdést alapvetőnek tartom.
Ennek a foton számlálgatásnak nem sok értelmét látom, ha nem tudunk vele valamilyen más jelenséget magyarázni.