#физика | Эксперимент: как свет может одновременно быть и частицей, и волной

27 Января 2014 в 18:00, Олег Довбня 11 769 просмотров 23

Лазерная указка

Рассмотрим, как свет может одновременно быть и частицей, и волной на основании небольшого научного эксперимента. Скорее всего, вам приходилось слышать о том, что свет состоит из частиц, именуемых фотонами. Как может нечто столь на первый взгляд «нематериальное», как свет, состоять из частиц? Физики описывают свет, как частицу и волну. Свет предстает одновременно в каждом из этих качеств. Волноподобное поведение света порождает массу интересных эффектов. В том числе и радужные цвета, порождаемые светом на поверхности пузырьков. Чтобы исследовать поведение света в качестве волны, вам потребуются: три стержня для механического карандаша, лазерная указка и… темная комната. Ведь самые интересные вещи всегда происходят только в темноте. Но для начала немного разъяснений.

Научное пояснение

Волне, как известно, свойственно распространяться. Кинетическая энергия проходит через вещество, не заменяя собой молекулы самого вещества. Она проводит вещество через фазы сжатия (сближая молекулы друг с другом) и разрежения (когда молекулы друг от друга отдаляются). Именно это происходит в динамике, вибрирующем от музыки.

Когда волны вступают в контакт друг с другом, на их пути возникает препятствие. Если волны находятся в одной фазе (сжатия или разрежения) одновременно, то происходит усиление. Если же волны находятся в разных фазах (одна старается сжать вещество, другая разредить), то происходит подавление волны. Именно так работают наушники, через которые не проникает внешний шум (шумоподавляющие наушники): они производят звуковую волну, подобную той, которая характерна для нежелательного шума, но в противоположной фазе. Этим обеспечивается эффект подавления волны молекул воздуха постороннего шума. Когда ее энергия достигает вашего уха, внешний крик будет восприниматься вами подобно шепоту, а отголосок рокота могучего мотора самолета донесется до вас слабым жужжанием.

Другим важным свойством волн является преломление (дифракция). Когда волны сталкиваются на своем пути с препятствием, они огибают его, а затем вступают друг с другом во взаимодействие. В нижеописанном эксперименте мы поставим на пути света препятствия, обеспечив проходы, которые дадут световой волне возможность преломиться. Разные точки преломления волн демонстрируют примеры конструктивных и деструктивных помех. Вы сможете наблюдать удивительное явление поглощения светом самого себя.

Необходимые материалы

Три или более грифелей для механического карандаша (подойдут диаметром 0,5 или 0,7 миллиметра), лазерная указка (красный свет неплох, но эффект от зеленого будет более наглядным), темная комната.

Ход эксперимента

Затемните комнату. Темнота должна быть близка к абсолютной. Станьте на расстоянии примерно 1 метр 20 сантиметров от стены. Разместите три грифеля между большим и указательным пальцем левой руки. Для тех, чья основная рука левая, рекомендуется размещать грифели в правой руке. Разместите их так, чтобы расстояния между ними были крайне невелики. Таким образом между грифелями образуются два небольших прохода, которые и будут каналами преломления.

Включите лазерную указку и направьте ее свет в сформированные грифелями каналы и посмотрите на отраженный от стены свет. Что вы видите? В ходе эксперимента меняйте положения грифелей и направление лазера, а также ширину каналов преломления. Если вы делаете все правильно, световой рисунок на стене будет меняться. Попробуйте использовать больше грифелей, чтобы создать больше дифракционных каналов. Как дополнительные каналы меняют световую проекцию на стене?

Наблюдения и результаты

Свет лазера проявит себя в форме двух параллельных, но сцепленных между собой, волн. Световые линии будут параллельны друг другу, если фаза волн совпадает. Свет от карманного фонарика этого эффекта не даст: лучи никогда не будут параллельны друг другу. Волны лазерного света преломляются, проходя через дифракционные каналы, образованные карандашными грифелями, порождая проекцию на стене. При перекрытии волнами друг друга они вступают во взаимодействие. В некоторых случаях это перекрытие будет конструктивным, в других деструктивным. При конструктивном взаимодействии свет на стене будет ярким. В других случаях волны будут угнетать друг друга (деструктивное взаимодействие). В этих случаях на световой проекции появятся темные промежутки.

Когда свет станет вести себя только как частица, вы сможете видеть на стене только две точки напротив каналов преломления. К современному представлению о природе света человечество шло долго. Великий английский ученый Исаак Ньютон определял свет в качестве потока частиц. В 19 столетии ученые пришли к выводу, что свет является волной. Но поскольку свет вел себя подобно частицам, Альберт Эйнштейн высказал предположение о том, что свет на самом деле является частицей, именуемой фотоном. Физик Макс Планк запаниковал, восклицая: «теория света будет отброшена назад не на десятилетия, а на века» в случае, если научное сообщество согласится с теорией Эйнштейна. В конечном итоге научными кругами было выработано компромиссное определение: свет одновременно является и частицей (фотоном) и волной.

Размышления о волновой природе света корреспондируются с вероятностью того, что фотон будет в определенном месте в определенное время. Это позволяет более ясно понять, как можно заставить фотоны занять на стене определенные позиции, когда их волны создают друг другу помехи. Менее интуитивно понятен тот факт, что фотоны могут одновременно проходить через два канала, продолжая проявлять поведение, характерное для волны, наталкивающейся на помехи. И как отдельные фотоны способны, пройдя через два канала, прибыть в одну и ту же точку!

Этот несложный физический эксперимент, проведенный зимним вечером в кругу семьи, позволит получить массу приятных эмоций. Наука бывает не только полезной, но и крайне интересной. А человечество продолжает неуклонно двигаться путем научно-технического прогресса, удовлетворяющего не только материальные потребности, но и потребность разумного существа в новых знаниях.

По мотивам Education.com

#физика | Эксперимент: как свет может одновременно быть и частицей, и волной

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

23 комментария

  1. Archer

    Лодка (обычная лодка) на озерной глади ведет себя как частица, но та же лодка на океан сяких волнах будет вести себя как волна.
    Чему же удивляться свойствам света?
    Фотон света состоит из волны длинной порядка миллионов всплесков.
    Частицы двигаются по двойной спирали подобной длинной пружинки от шариковой ручки но намотанной на еще на самый ручку. Это очень маленькие частицы они меньше атома, меньше электрона, их называют амеры, это частицы эфира. Все вещество состоит из этих Амеров. Так электрон это много Амеров закрученных в вихревую, тороидальную структуру, подобную торнадо. Аналогично устроены и все остальные частицы.
    Как-то так :)

    • Vladimir8

      Долго читал желтую прессу? Какая лодка, какой океан, электрон состоит из амеров? Почитай физику хотя бы за 8ой класс.

      • Archer

        .... Примерно тоже объяснила инквизиция Джордано Бруно прежде чем под палить его костер.

    • 13579q

      Эта теория была окончательно опровергнута в позапрошлом году, когда на практике удалось реализовать эксперимент с отложенным выбором.

  2. NEPSTER

    Свет единственная частица которую мы видим. Вот почему.

    • Sam777

      Наверное все-таки единственная волна, которую мы видим, потому что остальные волны в невидимом для человеческого глаза спектре :)

    • Archer

      Не такой частицы как свет. Свет состоит из фотонов. А фотон это целый отрезок волны (содержащий около миллиона всплесков). Но нужно понимать, что не может быть волнение пустоты. Волна это упорядоченное движение частиц, за неимением других кандидатов это Амеры. Амеры - мельчайшие частицы эфира. Из амеров состоит все вещество и все поля.

      • 13579q

        Вы забыли сказать, что это сугубо ваше мнение. Эксперименты доказывают другое

        • Archer

          Эксперименты ни чего не доказывают и не опровергают. Они создают фактический материал (набор данных). Затем, ученые могут их интерпретировать в меру своей испорченности. О каких фактах вы тут заявляете и чью интерпретацию поддерживаете?
          Своей-то интерпретации, судя по краткости реплики, у Вас нет...

          • 13579q

            Эксперименты с "отложенным выбором" и "обратным коллапсом", опровергают теорию эфира) Да, их результаты интерпретируются по разному, но именно вашу теорию они полностью опровергают.

  3. Trekkies2014

    Мне кажется, что фотоны это частицы, просто они могут взаимодействовать между собой, как например магниты. Т. е. один фотон ведет себя как частица, множество как волна (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • 13579q

      Друг мой, если бы ты более подробно изучил данный предмет, знал бы, что и по одиночке фотоны ведут себя как волны, в отсутствии наблюдателя.

      • zaycan

        фотоны ведут себя как волны, в отсутствии наблюдателя.
        а когда на них смотрят они стесняються и ведут себя как частицы. какие хитрые твари а.....

  4. vitkud

    Да полюбому амеры везде. Ирак, сирия, украина теперь (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  5. Trekkies2014

    )))) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  6. MurderKnot

    Мне вот интересно почему в части поста под названием "Научное обоснование" приводится пример звуковой волны (продольной волны), когда свет является поперечной? Безусловно, "механика", если можно так сказать, волн похожа: та же дифракция и интерференция, - но всё же это не одно и тоже.

  7. Ингваръ Львиное Сердце

    Да успокойтесь уже- волна/частица определяется вероятностью, а вероятность наличием наблюдателя. И относится это не только к фотонам но также и ко всем квантам, а отсюда и к субатомным частицам, соответственно к атомам, молекулам, клеткам, объектам, планетам, звездам, галактикам.

  8. Innor

    Ребята, всё достаточно просто: фотон - это энергетический импульс, "сгусток энергии", искра, который обладает свойствами волны, но проявляет себя в том же БАКе в качестве частицы.

  9. AleksandrDudin

    Фотон состоит из электрона, антинейтрино, позитрона, нейтрино. Электрон и позитрон находятся в противофазе друг к другу, перемещаются по синусоиде. Через 1/2 периода электрон переходит в позитрон, а позитрон переходит в электрон. Электрон и позитрон относительно оси ОХ, вдоль которой они перемещаются, двигаются в противоположные стороны. При этом в верхних точках амплитуды электрон и позитрон являются сто процентными частицами, уходя с верхней точки амплитуды, масса частиц пропорционально переходит в заряды и на оси ОХ электрон и позитрон проявляются сто процентными зарядами. И, несмотря на то, что электрон и позитрон находятся в одной плоскости, аннигиляции не происходит, так как в этом месте их разделяют частицы антинейтрино и нейтрино. Это, так называемый, не расщеплённый фотон. Расщеплённый фотон имеет длину волны в два раза больше, чем не расщеплённый фотон. Не расщеплённые фотоны не поляризованы, так как магнитные монополии частиц замкнуты друг на друга. Расщеплённый фотон первоначально состоит из электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Где так же через 1/2 периода электрон переходит в позитрон, а позитрон переходит в электрон. С одной стороны оси ОХ через 1/2 периода будет электрон, а с другой стороны оси со сдвигом на 1/2 периода, так же через 1/2 периода будет позитрон. Вот почему расщеплённые фотоны являются поляризованными.

  10. AleksandrDudin

    Электрон состоит из 12026 антинейтрино, Позитрон состоит из 12026 нейтрино. Фотон состоит из электрона антинейтрино, позитрона, нейтрино. Протон состоит из 918 фотонов, позитрона и нейтрино, или, другими словами, протон состоит из 918 не расщеплённых фотонов и одного расщеплённого фотона. Нейтрон состоит из 919 не расщеплённых фотонов. Всё вещество состоит из фотонов. В протонах и нейтронах нет кварков с их дробными зарядами. В ядрах нет сильного и слабого взаимодействия, так же нет и электромагнитного взаимодействия, в том смысле, как представлено в электротехнике, так как нет в природе Кулоновского взаимодействия между частицами, а есть взаимодействие магнитных монополий. Ядерные силы в ядре осуществляются взаимодействием магнитных монополий частиц.

  11. vladimir@gsmcorporacia.ru

    как вам такое мнение https://youtu.be/mJ5OarA7PHQ

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.