МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФОТОНОВ ОТ ОПТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
фотоны / скорость / преломление / среда / распространение / скорость распространения фотонов / оптическая среда / принцип преломления фотонов / photons / velocity / refraction / medium / propagation / the photon propagation velocity / optical medium / photon refraction principle
Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — М.Н. Раимкулов
В данной статье рассмотрен принцип, на основе которого происходит преломление потока фотонов , при переходе из одной среды в другую. Показано, что угол преломления напрямую связан с диаметром фотона (длиной волны). На основе этого принципа преломления предложен принцип распространения фотонов в среде . Показано, что скорость распространения в среде зависит от угла отклонения фотонов от первоначального направления движения, что приводит к увеличению пути прохождения фотонов в среде и, как следствие, к увеличению времени прохождения среды определенной толщины. И, основываясь на предложенных принципе преломления и распространения , выведена математическая зависимость скорости движения фотонов от оптической среды , в которой они распространяются.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — М.Н. Раимкулов
Металло-диэлектрическая линза Микаэляна
Локализация фотонов в оптическом метаматериале со случайным близким к нулю показателем преломления
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЛИНЗЫ СОБИРАЮЩИЕ ИЛИ РАССЕИВАЮЩИЕ?
Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред с положительным и отрицательным показателями преломления
О ПРАВИЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТАХ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЛН ПРИ КОСОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ ЗВУКА ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ СРЕД
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
MATHEMATICAL DEPENDENCE OF THE PHOTON PROPAGATION VELOCITY ON THE OPTICAL MEDIUM
This article discusses the principle on the basis of which the refraction of the photon flux occurs during the transition from one medium to another. It is shown that the angle of refraction is directly related to the diameter of the photon (wavelength). Based on this principle of refraction , the principle of photon propagation in the medium is proposed. It is shown that the propagation velocity in the medium depends on the angle of deviation of photons from the initial direction of motion, which leads to an increase in the path of photons in the medium and, as a consequence, to an increase in the time of passage of a medium of a certain thickness. And, based on the proposed principles of refraction and propagation , the mathematical dependence of the photon velocity on the optical medium in which they propagate is derived.
Текст научной работы на тему «МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФОТОНОВ ОТ ОПТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ»
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФОТОНОВ ОТ ОПТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
М.Н. Раимкулов, канд. техн. наук, с.н.с., ведущий научный сотрудник Институт сейсмологии Национальной академии наук Кыргызской Республики (Кыргызстан, г. Бишкек)
Аннотация. В данной статье рассмотрен принцип, на основе которого происходит преломление потока фотонов, при переходе из одной среды в другую. Показано, что угол преломления напрямую связан с диаметром фотона (длиной волны). На основе этого принципа преломления предложен принцип распространения фотонов в среде. Показано, что скорость распространения в среде зависит от угла отклонения фотонов от первоначального направления движения, что приводит к увеличению пути прохождения фотонов в среде и, как следствие, к увеличению времени прохождения среды определенной толщины. И, основываясь на предложенных принципе преломления и распространения, выведена математическая зависимость скорости движения фотонов от оптической среды, в которой они распространяются.
Ключевые слова: фотоны, скорость, преломление, среда, распространение, скорость распространения фотонов, оптическая среда, принцип преломления фотонов.
Прежде чем найти зависимость скорости распространения фотонов от оптической среды важно разобраться в механизме распространения потока фотонов через ту или иную среду. В этом случае нам помогут исследования, которые были ранее проведены для зависимости угла преломления фотонов на границе раздела двух сред от среды и радиуса фотонов определенной длины волны [3, с. 19-27]. Ранее было показано [1, с. 79-86; 3, с. 19-27], что угол изменения направления фотонов при столкновении с частицами среды, равен:
Где: к — коэффициент, связанный с величиной упругости при отражении края фотона от частицы среды;
С — это скорость света в вакууме; ^ф — это диаметр фотона; т — это время прилипания фотона к частице среды.
Также было показано, что время прилипания фотонов т зависит от положительного заряда ядер частиц среды, от радиусов частиц среды и радиусов фотонов [3, с.
19-27; 4, с. 17-22]. Причем чем больше суммарный положительный заряд частицы, тем больше время прилипания т и соответственно больше угол отклонения от первоначальной траектории ф. И, наоборот, чем больше радиус частицы, с которой сталкивается фотон, тем меньше время прилипания т и, соответственно, меньше угол отклонения от первоначальной траектории ф. Чем меньше радиус фотона, тем меньше время прилипания т. Чем больше радиус фотона, тем больше время прилипания т. В целом зависимость от радиуса дает дисперсию фотонов для одной и той же среды, а зависимость от времени прилипания т дает нам различный угол преломления для разных сред.
1. Принцип преломления и распространения фотонов в среде.
Именно угол отклонения от первоначальной траектории ^ (1) и дает, по мнению автора, различную скорость распространения фотонов в той или иной среде. Посмотрим, как это осуществляется на практике. Этот угол изменения направления формирует угол преломления фотонов, при их попадании на раздел двух сред (рис. 1).
Рис. 1. Изменение направления потока фотонов при преломлении
В качестве пояснения рисунка 1, следует отметить, что на рисунке 1.а показано как фотон сталкивается с ближайшей частичкой среды в области 1, вследствие чего меняется его траектория движения [3, с. 19-27]. На рисунке 1.б более детально показан механизм столкновения фотона с частицей среды в области 1 и изменения направления движения на угол ф. На рисунке 1.в показана разница между углом преломления
фотона а. Ниже будет показана связь и различие между углом отклонения ф и углом отклонения а. Здесь важно понимать, что после столкновения своей, например, нижней точкой, следующее столкновение для подавляющего большинства фотонов будет верхней точкой. Это связано с вращением фотона, которое задается ему после очередного столкновения с частицей среды (Рис. 2):
Рис. 2. Точка столкновение фотона в зависимости от его скорости и направления
Разберем более детально, почему столкновение происходит поочередно то верхней, то нижней точкой фотона. Ранее было определено, что линейная скорость вращения края фотона равна кС [1, с. 1927], где к больше или равна 2. Т.е. линейная скорость вращения УА точки А вокруг
центра фотона, точки О, минимум в два раза больше скорости света С. Чтобы понять, как эта линейная скорость вращения края фотона влияет на столкновение с частицами среды нам надо определить проекцию этой скорости на направление движения фотона. Она будет равна:
Где: Р — это угол поворота фотона от вертикального положения, т.е. от
перпендикуляра к направлению движения фотона (рис. 2);
С (первый член уравнения (2)) — это общая скорость движения фотона (скорость движения его центра О);
кССоэр (второй член уравнения (2)) -это проекция линейной скорости вращения точки А фотона, на общее направление движения фотона.
Как мы понимаем, для того, чтобы фотон не столкнулся своей точкой А с очередной встречной частицей среды, проекция линейной скорости вращения точки А на направление распространения фотона должна быть не больше нуля, т.е. УА < 0. Для расчета скорости точки А, мы можем взять минимальное значение коэффициента k, равное 2. Это позволит нам определить минимальную величину пробега фотона в среде, которую он успеет сделать до следующего столкновения с частицей среды. Тогда из уравнения (2), получаем:
Откуда мы можем найти косинус угла
В этом случае угол fi будет равен: Р < 600
Т.е. при повороте фотона на угол от 00 до 600 точка А фотона не столкнется со встречной частицей 02 среды (Рис. 2). Если же поворот фотона составит более 600, то тогда точка А фотона способна столкнуться со встречной частицей среды. Следует также отметить, что для точек фотона, расположенных между точкой А и центром фотона (точкой О) этот угол будет меньше, чем 600.
Как мы понимаем поворот фотона на угол 600 займет какое-то время ^ По прошествии этого времени ^ фотон способен столкнуться своим краем, точкой А, со встречной частицей среды. Найдем длину пробега фотона за этот промежуток
времени, чтобы понять вероятность столкновения точкой А фотона с частицами среды. Так как @ = то время будет равно:
В нашем случае ш равна:
Где: УА — это линейная скорость вращения точки А фотона вокруг его центра;
Иф — это радиус фотона.
Тогда, исходя из формулы (7), найдем время поворота фотона на угол 600. Оно будет равно:
Как отмечено выше, ранее было определено, что линейная скорость вращения точки А фотона равна минимум 2С (УА = 2С), а радиус фотона для длины волны 405 нм, при линейной скорости вращения края фотона со скорстью 2С, равен 128,9 нм (яа = 128,9 нм) [2, с. 5355]. Тогда для поворота фотона на 600 от вертикального положения, ему потребуется время равное 2,25 х 10-16 секунд. За это время фотон, при скорости полета в вакууме равной С, пройдет расстояние равное 67,5 нм.
Этот же расчет можно сделать иначе. Ранее было показано, что длина волны это расстояние, которое фотон проходит за промежуток времени равный его обороту на 3600. В данном случае поворот фотона на 600 составляет одну шестую от 3600. Тогда расстояние, пройденное фотоном за это время, будет равно одной шестой части от длины его волны, т.е. 405 + 6 = 67,5 нм. Такой расчет гораздо проще, но первый вариант расчета более наглядный.
Для жидких и твердых светопроводя-щих сред это расстояние достаточно большое, чтобы фотон успел столкнулся с частицами среды своей точкой В и стал бы вращаться в противоположную сторону,
чтобы затем имел возможность столкнуться вновь точкой А и т.д.
Теперь попробуем разобраться как будет двигаться отдельный фотон, после вхождения в новую среду (рис. 3).
Рис. 3. Столкновение фотона с частицами среды
Столкнувшись с первой частицей среды (Рис. 3.а) фотон изменяет направление своего движения на угол ^ и вместе с этим начинает вращаться в определенную сторону, показанную красной стрелкой. Так он летит в новом направлении до тех пор пока не встретится со следующей частицей среды и, после столкновения с ней, вновь изменит направление своего
движения и направление своего вращения (рис. 3.б). Потом вновь летит до столкновения и вновь меняет направление движения и направление вращения (рис. 3.в), потом опять сталкивается со следующей частицей (рис. 3.г) и т.д.
Таким образом, фотоны в среде движутся по пилообразной траектории (рис. 4).
Рис. 4. Траектория движения фотона в среде
Как видно из рисунка 4, после преломления фотона в точке О (на первой частице среды) траектория его движения идет до точки А (второй частице среды), далее до точки В, потом до точки С и т.д. На рисунке 4 угол ^ это угол изменения направления движения фотона после столкновения с частицей среды, но угол преломления,
угол а, а не на угол ф. Чтобы понять, как соотносятся эти углы, визуально продлим отрезки |АВ| и |БЕ| до точки С». Таким образом, получился ромб с вершинами в точках: В, С, Б, С» (конечно, мы понимаем, что при реальном распространении, расстояния между столкновениями |ОА|, |АВ|, |ВС|, |СБ|, |БЕ| не будут абсолютно равными, но в усредненном виде они будут примерно равны). Таким образом ось Х», параллельная оси Х (которая является усредненным направлением распространения потока фотонов вдоль данной среды) делит ромб по диагонали. А угол ромба СВС», который, как мы видим, является углом ф, делится этой диагональю пополам. Т.е. угол а составляет половину угла (р\
рить толщину слоя Ь, также нам известны углы преломления в разных средах. Из известных углов падения ^ и преломления фг, мы легко можем найти угол отклонения а. Поэтому для того, чтобы получить зависимость скорости распространения фотонов от среды, найдем величины проекций участков траектории движения фотона на усредненное направление распространения потока фотонов в данной среде, т.е. для нашего случая на ось X’ (Рис. 4). Так проекция отрезка |ОА| на ось X’, будет равна:
Аналогично проекции других участков пути Б на ось X’, будут равны:
Таким образом, угол а это угол усредненного изменения направления распространения фотонов после преломления на границе раздела двух сред, а угол ф это угол изменения направления движения фотона после каждого столкновения с частицами среды. Именно этот угол нам будет нужен для определения скорости распространения фотонов в той или иной среде.
2. Скорость распространения фотонов в среде.
Автор исходит из предположения, что скорость распространения фотонов от столкновения до столкновения, это фактически скорость света (фотонов) в вакууме, т.е. она равна стандартной величине С. Тогда время, которое потратит каждый фотон на прохождение среды толщиной Ь, это время, которое он потратит на прохождение пути фотона складывающегося из отрезков его траектории 8 со скоростью С. В нашем случае величина пути 8 будет равна:
5 = 10А1 + 1АВ1 + 1ВС1 + 1СЭ1 + 1ЭЕ1
Мы не знаем величины отрезков |ОА|, |АВ|, |ВС|, |СБ|, |БЕ|, но легко можно заме-
1АВ = |АВ| х Cosa; 1ВС = |ВС| х Cosa; Icd = I^DI х Cosa; lDE = IDEI х Cosa
Тогда толщина слоя оптической среды L, будет равна сумме проекций участков |ОА|, |АВ|, |ВС|, |CD| и |DE|:
L = loA + lAB + IßC + 1-CD + lDE =
lOAlCosa + lABlCosa + iBClCosa + iCDlCosa + IDEICosa (13)
Немного преобразуем уравнение (13), вынеся общий для всех членов множитель Cosa за скобки. Тогда получим:
L = (IOAI + IABI + IBCI + ICDI + IDEI) х Cosa(14)
Полученная сумма в скобках не что иное, как реальная длина пути S, при прохождении фотоном среды толщиной L. Подставляя S в уравнение (14), перепишем его в следующем виде:
Помня о том, что а = (9), мы теперь
можем найти зависимость реальной длины пути прохождения фотонами 8 от той или иной среды толщиной Ь:
Из формулы (16) мы можем сделать вывод, что чем больше угол отклонения фотона ф, тем больший путь проходит каждый фотон в среде толщиной L. Как уже выше было отмечено, вполне логично предположить, что между столкновениями участки среды |ОА|, |АВ|, |ВС|, |СБ| и |ББ| фотоны проходят со скоростью света в вакууме С. Тогда время прохождения слоя среды толщиной L, будет равно:
Как мы помним, скорость прохождения среды определяется исходя из толщины среды L и времени t, которое затрачивают фотоны на прохождение этой толщины:
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Также следует отметить, что в формуле (17) для времени распространения в среде мы не учитывали время задержек т, которые происходят на каждом столкновении фотонов с частицами среды. И несмотря на то, что суммарно эти задержки вероятнее всего на много меньше времени, которое тратится на прохождение каждого отрезка, но тем не менее оно присутствует. С учетом этого времени общее время прохождения среды толщиной L, будет равно:
Где — это время прилипания фотона при каждом столкновении с частицей среды.
Как мы понимаем, исходя из этой коррекции времени прохождения среды, изменится и формула скорости прохождения среды, она будет равна:
Подставляя в это уравнение значение для времени t из формулы (17), получим:
Vcp———— — С х Cos-ф (19)
Таким образом, формула (19) наглядно демонстрирует зависимость скорости распространения потока фотонов от угла отклонения фотонов ф, при их столкновении с частицами среды. Она показывает, что чем больше угол отклонения фотонов от первоначальной траектории ф, тем меньше скорость распространения фотонов в данной среде. А сам угол отклонения, как выше было отмечено, зависит от величины заряда ядер частиц среды, от радиусов частиц среды и радиусов фотонов, проходящих через данную среду.
Исходя из этой зависимости, для частного случая распространения фотонов в вакууме, где столкновения отсутствуют и соответственно угол отклонения фотонов ф равен нулю, скорость распространения фотонов становится равной величине С:
1. Выведена формула скорости распространения фотонов в среде, которая зависит от времени прилипания фотонов к ча-
стицам среды и от угла отклонения фото- меньше время прилипания и угол отклоне-нов от первоначальной траектории, при их ния, тем больше скорость распространения столкновении с частицами среды. фотонов в среде.
2. Показано, что чем больше время при- 3. В случае отсутствия столкновений,
липания и угол отклонения фотонов, тем как это наблюдается в вакууме, скорость меньше скорость распространения потока фотонов максимальная и равна известной фотонов в данной среде. И наоборот, чем величине С.
1. Отчет о научно-исследовательской работе 2021 г. по теме: «Распространение электромагнитных волн и их взаимодействие с веществом», раздел 3: «Развитие новых теоретических подходов, методов и алгоритмов оптики и нанотехнологий в задачах дистанционного зондирования, хранения и решения технологических задач для народного хозяйства Кыргызской республики», глава 3: «Аспекты теории виртуальных частиц в области электромагнитного излучения и структуры элементарных частиц». — С. 79-86.
2. Отчет о научно-исследовательской работе 2017 г. по теме: «Исследования и разработка структур и методов обработки и хранения аэрокосмической видеоинформации для народнохозяйственных задач Кыргызской республики», глава 3: «Волновые свойства фотонов». — С. 53-55.
3. Раимкулов М.Н. Зависимость угла преломления фотонов от оптической среды // Евразийское научное объединение. — 2019. — № 9. — С. 19-27.
4. Раимкулов М.Н. Зависимость угла преломления от диаметра фотонов // Евразийское научное объединение. — 2020. — № 10. — С. 17-22.
MATHEMATICAL DEPENDENCE OF THE PHOTON PROPAGATION VELOCITY ON THE OPTICAL MEDIUM
M.N. Raimkulov, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher Institute of Seismology of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic (Kyrgyzstan, Bishkek)
Abstract. This article discusses the principle on the basis of which the refraction of the photon flux occurs during the transition from one medium to another. It is shown that the angle of refraction is directly related to the diameter of the photon (wavelength). Based on this principle of refraction, the principle of photon propagation in the medium is proposed. It is shown that the propagation velocity in the medium depends on the angle of deviation ofphotons from the initial direction of motion, which leads to an increase in the path of photons in the medium and, as a consequence, to an increase in the time of passage of a medium of a certain thickness. And, based on the proposed principles of refraction and propagation, the mathematical dependence of the photon velocity on the optical medium in which they propagate is derived.
Keywords: photons, velocity, refraction, medium, propagation, the photon propagation velocity, optical medium, photon refraction principle.
Отдача от фотона
Кванты электромагнитного излучения — фотоны — не имеют массы (точнее, массы покоя). Однако это материальные объекты, обладающие импульсом и энергией (импульс p=h/?, где h — постоянная Планка, а ? — длина волны фотона; энергия E=cp, где с — скорость света). Поэтому при их излучении и возникает отдача. Общий эффект отдачи зависит от количества излученных фотонов (оно определяется свойствами излучателя) и их распределения по длинам волн.
- Журнал «Коммерсантъ Наука» №2 от 06.06.2011, стр. 60
Картина дня
Вся лента
Правительство одобрило законопроект с точечной правкой налогового регулирования
Над Курской областью сбиты три беспилотника
«Русал» начал использовать котировки Шанхайской биржи в торговле с Китаем Эксклюзив
Зеленский заявил, что Украина продолжит наносить удары по России
Минюст объявил иностранным агентом журналистку Марианну Беленькую
Источник «Ъ» подтверждает, что экс-глава «Интер РАО» Ковальчук стал замглавы Контрольного управления президента
Минпромторг: правообладатели не могут препятствовать параллельному импорту в РФ
Лидеры Германии, Франции и Польши встретились в Берлине и продемонстрировали единство ради Киева
Убийца разработчика «Спутника V» приговорен к 14 годам лишения свободы
В Госдуме предложили расширить антиотмывычные меры на операции с цифровым рублем
Член правления ВТБ Виталий Сергейчук — что ждет корпоративно-инвестиционный бизнес в России Партнерский проект
15.03.2024
STONE
Объявлены итоги конкурса STONE Art «Философия новых форм»
15.03.2024
Домклик
Домклик назвал регионы России с самыми низкими ценами на недвижимость в феврале
15.03.2024
АО «Банк ДОМ.РФ»
Чаще всего в 2024 году покупают квартиры на нижних этажах
15.03.2024
DOGMA
DOGMA строит будущее вместе с молодыми специалистами
Лента
Лента
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
Загрузка новости.
© АО «Коммерсантъ». 123112, Москва, Пресненская наб. д. 10, этаж 35,
Сетевое издание «Коммерсантъ» (доменное имя сайта: kommersant.ru) зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия от 11 октября 2019 г.
Партнерские проекты/материалы, новости компаний, материалы с пометкой «Промо» и «Официальное сообщение» опубликованы на коммерческой основе.
На kommersant.ru применяются рекомендательные технологии. Подробнее
Почему свет движется со скоростью света?
Всё и везде, просто по факту своего существования, «движется» со скоростью света (которая на самом деле не имеет ничего общего со светом). Да, это касается и вас тоже. Вот прямо сейчас.
Люди в основном воспринимают «вселенную» как «пространство», нечто отдельное от «времени», и честно говоря, они неправы. Пространство и время — не отдельные штуковины. Вселенная сделана из «пространствовремени», прямо так, без пробела. Вы, наверное привыкли к тому, что «год» — это единица времени, а «световой год» — единица расстояния, то есть это разные вещи; но с точки зрения физика это ровным счетом одно и то же (ну, конечно, смотря каким видом физики вы занимаетесь).
В нашей будничной жизни мы исходим из того, что движение — это некое расстояние (пространство), преодоленное за некое время. Однако, если мы решили, что это одно и то же, наше определение движение внезапно становится полной ерундой. «Я прохожу километр за каждый километр, который я прохожу» — кошмар какой-то!
Оказывается, все работает вот как — всё во Вселенной «путешествует» через пространствовремя с постоянной «скоростью», которую я буду далее обозначать как с, для краткости. Не забывайте, «движение» в пространствовремени не имеет смысла, поэтому ничего не может быть «быстрее» или «медленнее», чем что-нибудь другое. Все вокруг проходит километр в течение километра, вот так вот.
Однако, мы же своими глазами видим, что у разных вещей вокруг нас разные скорости. Причина этому — тот обалденный факт, что пространство и время ортогональны (этим красивым словом я пытаюсь сказать «под нужным углом друг к другу»). Например, в этом же смысле ортогональны (перпендикулярны) север и восток — вы можете сколь угодно долго идти ровно на север, и это никак не отразится на вашем движении на восток или запад.
Так же, как вы можете перемещаться на север, при этом не двигаясь на восток, вы можете перемещаться во времени, не перемещаясь в пространстве. Но еще круче то, что вы можете перемещаться в пространстве так, что это никак не отразится на вашем «положении» во времени.
Думаю что вы сейчас (как и я) сидите и смотрите в экран. Это значит, что вы не особо путешествуете в пространстве. А поскольку вы должны путешествовать в пространствовремени с постоянной скоростью с, это значит, что все ваше «движение» расходуется в направлении времени.
Кстати говоря, именно поэтому происходит знаменитое замедление времени. Объект, который движется очень быстро (относительно вас), перемещается в пространстве, но поскольку он так же перемещается в пространствовремени с постоянной скоростью с, ему приходится медленнее перемещаться во времени, для компенсации (опять же с вашей точки зрения).
Что еще более удивительно, свет вообще не перемещается во времени. Это немного сложно объяснить, но вкратце, это связано с тем, что у него нет массы.
Что-то, что не движется в пространстве, но у чего есть масса, может иметь энергию. В этом смысл формулы E = mc^2. У света нет массы, но энергия у него точно есть. Если мы применим массу света к E = mc^2, мы получим 0, что бессмысленно, потому что у света есть энергия. Следовательно, свет никогда не может быть неподвижен.
Более того! Свет никогда не бывает неподвижен относительно ничего. Поскольку, как и всё во Вселенной, он путешествует через пространствовремя со скоростью с, значит вся это «пространствовременная скорость» должна быть в «направлении» пространства, и ничего не остается на время.
Итак, свет движется со скоростью с. Совсем не случайно эту скорость часто определяют как «скорость света в вакууме». На самом деле, это скорость, с которой движется вообще все и везде. Просто так получилось, что свет с этой скоростью движется именно по пространству, поскольку у него нет массы.
Кстати, тут можно ответить еще на один часто задаваемый вопрос — почему ничто не может двигаться быстрее света, и почему вещи «материальные» (обладающие массой) не могут двигаться со скоростью света. Поскольку всё «движется» по пространствовремени с постоянной скоростью с, ничто не может преодолеть эту скорость в пространстве. И нет, путешествие обратно в прошлое не поможет.
Также, поскольку объекты с массой могут быть «неподвижны» относительно чего-нибудь (например, себя), им всегда приходится двигаться во времени хотя бы немножко. Это значит, что они не могут двигаться в пространстве так быстро, как свет. Тогда бы им пришлось двигаться в пространствовремени быстрее скорости с, что невозможно.
Так, если свет не движется сквозь время, только сквозь пространство, почему же он тогда не перемещается мгновенно? Ведь мы точно знаем, что свету нужно некоторое время, чтобы долететь от Солнца до Земли.
Очень сложно (если вообще возможно) адекватно описать течение пространства и времени с точки зрения фотона. Можно сказать, что фотоны не «чувствуют» времени, хотя это прозвучит странно. Хотя, нам незачем особо переживать об их чувствах.
Перемещение из одного места в другое занимает у света какое-то время, потому что его скорость конечна относительно любого, кто наблюдает за ним. Не пытайтесь представить, «что видит свет вокруг себя», мы можем только представить, «что видит тот, кто видит свет». Мы не можем (по крайней мере, на данном этапе развития) обсуждать, как свет «воспринимает» мир, это вообще скорее всего не имеет смысла.
(Прим. пер. ― не устою перед соблазном представить себя фотоном. Получается, фотон, с точки зрения себя самого, улетает с Солнца и прилетает на Землю в один и тот же момент времени. И вообще все — один момент времени, потому что времени-то и нет совсем).
Немного глупый вопрос, но означает ли все это, что если нечто движется сквозь пространство, оно будет стареть медленнее, потому что его движение сквозь пространствовремя будет медленнее относительно всего вокруг этого нечто?
Да, именно! Поздравляю, теперь вы понимаете, что значит замедление времени. Очень верное замечание про «относительно всего вокруг».
А разве нам не удалось остановить свет в кристаллах и всем таком?
Нам удалось запустить фотон внутрь специального кристалла, который его поглотил. Сделав это, кристалл вибрирует специальным образом, который кодирует информацию о фотоне (цвет и все такое). Спустя некоторое время, кристалл испускает новый фотон, с теми же свойствами, что и ранее поглощенный, потому что вибрации «хранили» эти свойства.
Нигде в это время мы не останавливали фотон. Грубо говоря, мы его убили, а потом клонировали.
Это важное открытие, например, позволяет нам использовать оптику в ИТ. Мы здорово умеем передавать информацию при помощи света, но нельзя хранить такую информацию, если только не потратить время на ее преобразование в электричество.
Вы только что прочитали (или промотали) перевод вот этого поста на reddit, точнее, ответов пользователя corpuscle634. Будучи очень далеким от темы поста (я дизайнер), я, однако, просто не мог не поделиться этим текстом с хабрасообществом. Соответственно, тут я должен соблюсти необходимые формальности, как-то: об ошибках пишите в личку, перевод любительский, мопед не мой, и все такое.
Если у вас, как и у меня, этот пост вызвал «massive lightbulb moment», и хочется продолжения, вот еще из математики — A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers
Да пребудет с вами пространствовремя!
- скорость света
- неведомые летающие хреновины
- невероятно но факт
- всё равно никто не читает теги
Гонки фотонов
Физики сделали еще один шаг к разгадке загадки Эйнштейна
Согласно сформулированной Альбертом Эйнштейном Специальной теории относительности, физические законы одинаковы во всех системах отсчета, равномерно движущихся друг относительно друга. Кроме того, скорость света является постоянной во всех системах отсчета. Математически переходы между системами отсчета называют преобразованиями Лоренца, а постоянство физических законов относительно таких преобразований.
Выйти из полноэкранного режима
Развернуть на весь экран
Фото: Алексей Куденко, Коммерсантъ / купить фото
Такие различные фундаментальные физические теории, как общая теория относительности (описывающая гравитацию) и квантовая теория (описывающая явления в микромире), основаны в том числе на лоренц-инвариантности (ЛИ, эффективная масса фотона).
Одной из задач современной теоретической физики является построение объединенной теории, объединяющей как общую теорию относительности, так и квантовую теорию — так называемую теорию квантовой гравитации. С 1930-х годов проводились различные попытки построения такой теории, которые так и не привели к самосогласованным проверяемым результатам. В некоторых современных подходах к построению такой теории предполагается, что лоренц-инвариантность практически точно выполняется при низких энергиях. При высоких энергиях могут наблюдаться эффекты нарушения лоренц-инвариантности, что может, в частности, проявляться в виде зависимости скорости света (кванта света — фотона) от его частоты (энергии). Другими словами, фотон приобретает зависящую от энергии эффективную массу (положительную либо отрицательную), стремящуюся к нулю при малых энергиях фотона.
Чтобы проверять подобные гипотезы и определять величины энергии, при которых можно доверять прогнозам теории, физики экспериментально наблюдают за частицами с очень высокой энергией.
Один из популярных методов проверки таких гипотез — наблюдение за быстрыми гамма-всплесками. Это очень энергичные быстрые события, источники которых находятся на больших расстояниях. Если гипотеза о нарушении лоренц-инвариантности верна и скорость света зависит от его частоты (энергии конкретного фотона), то фотоны большей энергии при распространении от источника до Земли должны обгонять фотоны меньших энергий (либо наоборот). То, что таких эффектов не наблюдается, позволяет поставить ограничения на энергетический масштаб таких теорий.
Другой метод проверки этой гипотезы (который в итоге дает лучшие ограничения) основан на изменении вероятности некоторых процессов, включающих искомые частицы (например, фотоны). Так, в стандартной лоренц-инвариантной теории фотон в вакууме является стабильной частицей: не распадается, например, на электрон-позитронную пару. Однако в электрическом поле атомного ядра такой распад происходит. Данный процесс (происходящий в верхних слоях атмосферы) дает начало атмосферному ливню из заряженных частиц, наблюдая за которым можно сделать вывод об обнаружении фотона высоких энергий (прилетевшего к нам от далеких источников).
В случае зависящей от энергии эффективной массы фотона эти каналы распада меняются. Если эта эффективная масса положительна, фотон становится нестабильным и может распадаться на электрон-позитронную пару или расщепляться на три менее энергичных фотона. В итоге первоначальный фотон высокой энергии не долетит до атмосферы Земли и мы не обнаружим фотонов с такой энергией. С другой стороны, отрицательная эффективная масса стабилизирует фотон. В этом случае даже вероятность разрешенного распада фотона в поле ядра становится подавленной по сравнению с обычным случаем. Атмосферные ливни, порождаемые фотоном в этом случае, образуются сильно ближе к поверхности Земли или даже под ее поверхностью. Итог для этих разных двух случаев един — таких атмосферных ливней, как в стандартном случае, не должно наблюдаться. А из факта, что такие ливни видят в эксперименте, можно поставить ограничения на энергетический масштаб этой теории.
Для данного метода, в отличие от предыдущего, нужны фотоны с максимально возможной энергией. По новым данным, опубликованным коллаборациями Tibet и LHAASO в апреле—мае 2021 года в журналах Science и Nature, максимальная энергия наблюдаемых фотонов увеличилась почти в десять раз по сравнению с предыдущими экспериментами, составив 1 ПэВ (Петаэлектронвольт) = 10^ электронвольта. Обе эти экспериментальные установки расположены на высоте более 4 км в Западном Китае (Тибет). Сотрудники Института ядерных исследований РАН участвуют в LHAASO.
В работе научного сотрудника Института ядерных исследований РАН Петра Сатунина, опубликованной в журнале European Physical Journal C, были проанализированы свежие данные экспериментов Tibet и LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory — крупная высокогорная обсерватория атмосферных ливней). На сегодняшний день LHAASO — один из самых чувствительных детекторов космических лучей — прилетающих из далекого космоса на Землю потоков массивных частиц высокой энергии. Сатунин проанализировал данные, полученные на детекторах Tibet и LHAASO на предмет поиска нарушения лоренц-инвариантности. Статистически значимое наблюдение фотонов энергией вплоть до 0,5 ПэВ позволило поставить двусторонние ограничения на энергетический масштаб теории: M_ > 1,7* 10^ (4,9 * 10^) ГэВ для отрицательного (положительного) знака перед эффективной массой. Ограничения первого типа — 10^11 ГэВ, то есть лучше на два-четыре порядка.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет на эксперименте LHAASO будут получены новые данные по фотонам высоких энергий, которые позволят ограничить нарушение ЛИ еще сильнее либо, если она есть в природе, найти ее.