Quantencomputer, die theoretischen Grundlagen
Ist das Licht eine Welle oder ein Teilchen ?
⦁ Autor: Rhett Allain. ⦁ Rhett Allain Wissenschaft
⦁ Datum der Veröffentlichung: 07.11.13. 07.11.13
⦁ Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08:13. 08:13
Ist das Licht eine Welle oder ein Teilchen?
Es ist in Ihrem Physik-Lehrbuch, gehen sehen. Er sagt, dass Sie entweder
Modell Licht als elektromagnetische Welle können oder Sie Licht ein
Strom von Photonen modellieren. Beide Modelle können nicht gleichzeitig
verwendet werden. Es ist eine oder die andere. Er sagt, dass, zu suchen.
Hier ist eine wahrscheinliche Zusammenfassung aus den meisten
Lehrbüchern.
1. Licht wie eine Welle: Licht (modelliert) als elektromagnetische Welle
beschrieben werden kann. In diesem Modell erzeugt einem sich ändernden
elektrischen Feld ein wechselndes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erstellt
dann eine wechselnde elektrische Feld und BOOM – Sie haben Licht. Im
Gegensatz zu vielen anderen Wellen (Ton,, Wasserwellen, Wellen in einem
Fußballstadion) braucht Licht nicht in ein Medium "Welle".
Oh, das ist zu einfach eine Erklärung? Wie wäre es damit?
Diese sind eine Form der Maxwell Gleichungen. Sie beschreiben die
Beziehung zwischen der elektrischen und magnetischen Feldern (gut vor
allem die letzten beiden). Wenn Sie möchten, können Sie verwenden
Vektorrechnung auf die oben genannten Gleichungen und dann B zu
beseitigen:
Dies ist die Form der Wellengleichung. Maxwell Gleichungen sagst, dass
Licht eine Welle ist.
2. Licht als Teilchen: das Lehrbuch beginnen mit einigen experimentellen
Beweise aus den historischen photoelektrischen Effekt zu zeigen, dass
die Welle Modell des Lichts nicht immer beschreiben, was passiert.
Es wird dann sagen, dass wir Licht als Individuum "Dinge" (einige Bücher
sagen eigentlich Teilchen und andere sagen nur Photonen) zu modellieren.
Diese leichten "Dinge" haben die Energie, die von der Wellenlänge
abhängig ist, dass:
Hier ist h Plancksche Konstante und λ ist die Wellenlänge des Lichts und
f die Frequenz. Mit dem Modell Photon erzeugt ein helleres Licht nur
mehr Photonen pro Sekunde.
Ist das Licht ein Teilchen oder eine Welle?
Die meisten Texte Ende mit etwas wie folgt aus:
"Ist das Licht ein Teilchen oder eine Welle? Das ist eine schwierige
Frage – die Antwort ist, dass in einigen Situationen Licht als Teilchen
verhält und in anderen verhält es sich wie eine Welle."
Was ist falsch mit mehreren Modellen?
Wir haben immer mehrere Modelle für Dinge, die wir sehen. Sie sind
jedoch anders als diese Welle-Teilchen-Modell des Lichts. Schauen wir
uns ein paar andere Modelle.
Momentum. Wenn Sie, Dynamik beginnen, es ist fast immer (außer in der
Super Lehrbuch Materie und Wechselwirkungen) definiert als:
Das ist großartig. Es ist einfach und es ist nützlich. Es geht mit dem
Dynamik-Prinzip, das besagt, dass die Nettokraft, die auf ein Objekt der
Zeit Änderungsgeschwindigkeit der Dynamik ist groß. Natürlich könnte man
auch sagen, dass es falsch ist. Sie haben ein Proton mit 90 Prozent der
Lichtgeschwindigkeit bewegt? In diesem Fall mithilfe nicht dieser
Definition der Schwung mit dem Dynamik-Prinzip. Stattdessen haben Sie
dieses Modell verwenden:
Das ist schön, nicht wahr? Manche nennen dies die "relativistischen
Dynamik". Jedoch mag ich diese einfach nur Dynamik zu nennen. Aber was
hat dies mit zwei Modelle für das Licht zu tun? Nun, was passiert, wenn
ich wollte, die Dynamik eines Protons gehen nur 10 % der
Lichtgeschwindigkeit zu finden? Welches Modell sollte ich verwenden? Die
Antwort hängt davon ab, wie schnell Sie das berechnen möchten und wie
genau Sie Ihre Antwort sein soll. Ja, ich weiß, "schnell" ist relativ.
Hier ist eine Darstellung der Dynamik eines Protons als Funktion der
Geschwindigkeit für die beiden Modelle.
Sie können sehen, dass bei niedrigeren Geschwindigkeiten, stimmen die
beiden Modelle. Desto schneller fährt das Proton, desto weniger Stimmen
die beiden Modelle.
Schwerkraft. Jeder weiß das Modell für die Gravitationskraft, richtig?
Du kannst es folgendermaßen schreiben:
Nein. Das ist falsch. Dieses Modell funktioniert nur, wenn in der Nähe
der Oberfläche der Erde. Die Gravitationskraft ist:
Das ist immer noch falsch, aber besser. Allerdings verwenden wir oft das
bessere Modell für die Gravitationskraft nahe der Oberfläche der Erde.
Warum? Weil das mg-Modell gut genug funktioniert. Auch stimmen die
beiden Modelle auf der Oberfläche der Erde genauso wie die zwei
Ausdrücke für die Proton-Dynamik "langsames" zustimmen.
Quantenmechanik. Ich werde viele sehr interessante Details zu
überspringen, aber lassen mich nur sagen, dass ich das folgende Modell
das Verhalten eines super winzigen Teilchen in einer Box verwenden kann.
Hier ist ein älterer Beitrag mit den meisten der Partikel in eine
Box-Details. Selbst mit dem Knock-out.
Oder vielleicht möchten Sie es wie folgt schreiben:
Dies ist Schrödingers-Gleichung und Ψ heißt die Wellenfunktion. Es
bietet Ihnen alles, was Sie direkt messen könnte, aber daraus könnte man
die Wahrscheinlichkeitsdichte – oder eine Beschreibung wo ein Teilchen
gefunden werden dürfte (oder wirklich, alles, was Sie, über die Partikel
wissen).
Aber warten Sie! Es gibt noch mehr. Was passiert, wenn Sie Schrödinger
Gleichung um zu betrachten eines Teilchens in einem eindimensionalen
Kasten verwenden? Warum würden Sie dies tun? Weil es mathematisch
einfach ist und wir es verwenden können, um einige der Ergebnisse eines
Quantensystems zu erkunden. Aus Schrödingers-Gleichung würden Sie
feststellen, dass das Teilchen nur bei bestimmten diskreten Energien
existieren kann. Das ist wirklich einer der entscheidenden Punkte der
Quantenmechanik (es ist das Quant in der Quantenphysik).
Meine Lieblings-Quanten-Analogie ist eine Treppe. Für eine Treppe kann
man auf einen Schritt oder der nächste Schritt aber zwischen Schritten
kann man wirklich nicht sein. In diesem Fall könnte man sagen, dass Höhe
quantisiert ist. Das gleiche gilt für ein Teilchen in einer Box oder ein
Elektron in ein Wasserstoffatom. Es gibt nur bestimmte möglich
Energieniveaus.
Stimmt diese Quanten-Energie-Modell mit klassischen Mechanik? Ja. Wenn
Sie einen Tennisball in einem typischen Klassenzimmer hin und her hüpfen
sah, konnte die quantisierten Energieniveaus berechnet werden.
Allerdings sind diese Energieniveaus so nahe beieinander, dass Sie im
Grunde nie in der Lage, experimentell zu überprüfen, ob der Ball nur
bestimmte Energieniveaus haben kann.
Nur um klar zu sein: das Quantenmodell Zeug ist wie die oben genannten
Modelle. Es gibt langsam ein anderes Ergebnis als das klassische Modell
des Materials.
Warum enthalten Lehrbücher der Photon-Modell des Lichts?
Sie sind sehr geduldig gewesen. Ich weiß Sie Photonen reden möchte, aber
ich musste das Modell Zeug aus dem Weg zu bekommen. Aber wie ich schon
sagte, spricht fast jeder Einführung in die Physik-Lehrbuch über
Photonen mit der photoelektrische Effekt als Grundlage für dieses
Modell.
Es gibt einen Grund dafür. Albert Einstein erhielt den Nobelpreis im
Jahr 1921 teilweise für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts.
Einstein hat natürlich einige andere tolle Sachen. Vor allem die
allgemeine und spezielle Relativitätstheorie. Aber den Nobelpreis nicht
erwähnt dies – nur den photoelektrischen Effekt. Jedoch während
Einsteins Dankesrede für den Nobelpreis sprach er über Relativität und
nicht den photoelektrischen Effekt.
Aber hier die verrückte Teil ist (ich weiß, Sie wahrscheinlich denken
diese ganze post ist verrückt): der photoelektrische Effekt kann mit
einer klassischen Welle Modell des Lichts zusammen mit einem
Quantenmodell der Materie erklärt werden. Wirklich, es kann.
Überspringen der Details, lassen Sie mich nur sagen (und finden Sie in
Ihrem Buch der Quantenmechanik zu überprüfen), dass, wenn Sie ein
Teilchen mit Energie E1 und möchten es für den Übergang in das
Energieniveau E2 Sie können dies durch Hinzufügen einer zeitlich
veränderliche Potenzial, dass: