К вопросу об интерференция фотонов и волн де Бройля Печать
Научные статьи - Фотоны, волны де Бройля, атом, векторный потенциал

В.В.Мантуров

 

К вопросу об интерференции фотонов и волн де Бройля

(Способны ли интерферировать тороидальные корпускулы ?)

Опубликована в книге автора "От кристаллических нуклонов и ядер к разгадке распределения простых чисел" М. 2007 

Интерференция как явление предполагает алгебраические сложения амплитуд колебательных процессов. Для этого необходимо чтобы эти колебания были, строго говоря, гармоническими. Или хотя бы в виде цугов.

 

Интерференция волн, согласно [1,2], -- «одно из осн. свойств волн любой природы (упругих, эл.-магн., в т. ч. световых, и др.)…». И далее: расчет интерференции волн «в линейных средах основан на суперпозиции принципе, согласно к-рому результирующее волновое поле, создаваемое неск. источниками, равно сумме полей от отдельных составляющих». А по [2], «с одинаковыми периодами», т.е. они должны быть гармониками. Теория гармонических колебаний предполагает наличие амплитуды. Амплитуда -- это «наибольшее значение…, к-рого достигает какая-либо величина, совершающая гармонические колебания …» [2].

Короткое пояснение. Из заголовка видно, что вопрос об интерференции стал относиться и к волнам де Бройля. Да. Это так. Во-первых, потому что фотон – это волна де Бройля, покинутая электроном [7, 8, 9]. Во-вторых, пока электрон не покинул свою сидящую на нем волну де Бройля, он заодно с нею тоже подвержен дифракции. В-третьих, он подвержен дифракции именно благодаря «руководящего» воздействия на него его волны де Бройля, на которую в свою очередь воздействуют волны де Бройля электронных оболочек атомов, образующих отверстия, щели и т.д. Об этом почему-то забывали. В четвертых, см. ниже…

Как было показано [7, 8, 9], ни волнам де Бройля, ни фотонам физически не присущи гармонические колебания. Они, скорее, – солитоны. Хотя формально и их можно описать (представить) как колебательный процесс в виде волн, например, на воде. Собственно так и представляли световые волны классики волновой теории света, начиная с древних философов (Аристотель). А затем – Гюйгенс, Гук, Юнг, Френель, Араго… Сам Ньютон, открыв превращение прямых лучей в концентрические кольца после прохождения ими линзы, тоже относил их к периодическим колебаниям. Полагая, однако, свет корпускулярным, в интерференции корпускул скорее сомневался. Вся «Оптика» [3] Г. С. Ландсберга построена на предположении, точнее, на уверенности, убежденности в том, что световые волны – это гармонические электромагнитные колебания. И тогда формально (математически) им вводится в обязанность свойство обладать амплитудой.

Естественно возникает вопрос: если фотон – тороидальная электромагнитная волна, а не плоская монохроматическая (гармоническая), то, что в ней должно соответствовать понятию амплитуда?

Тороидальной электромагнитной волне свойственны [7,8,9]: длина волны, квант энергии, один квант магнитного потока, скорость распространения (волна де Бройля), соответствующая этой скорости величина векторного потенциала, количество движения. Ни одной из этих характеристик нельзя поставить в соответствие амплитуду. В первую очередь отметим следующее: ни длина волны, ни величина кванта энергии не могут выступать в качестве амплитуды потому, что – это стационарные их параметры, которые они, например, фотоны, несут от самых удаленных звезд неизменными, и по спектру которых мы судим о химическом составе звездной материи. Далее, какие бы метаморфозы не происходили с тороидальным фотоном (и волной де Бройля) всегда, пока существует фотон, у него будет один и единственный квант магнитного потока. Остальные характеристики при этом могут изменяться: и его размеры (длина волны), и величины квантов энергии и магнитного поля, и пр., но только в результате взаимодействия (столкновения) с электронами, протонами и т.д., причем опять же через посредство их волн де Бройля. Эффект Комптона яркое тому свидетельство.


 

Если бы, например, фотоны могли подвергаться интерференции, то уже на Солнце в результате хаотичности протекающих на нем ядерных и атомных взаимодействий происходили бы такие многократные наложения друг на друга их амплитуд (читай: квантов энергии), что ни какие слои озона не спасли бы жизнь на Земле. И прежде всего ни Лайману, ни Бальмеру, ни Пашену и т.д. не удалось бы проникнуть в тайны линейчатых спектров. И мы бы так и не смогли узнать, из каких химических элементов состоят и звезды и наше светило. Не наблюдалось этого и в опытах С. И. Вавилова по столкновению пучков света. Не происходит интерференции (в академическом определении) и в лазерных устройствах. Нет для этого условий, признает Ю. Климонтович [15 с 56]: “При спонтанных переходах отдельные атомы излучают независимо друг от друга. Это означает, в частности, что начальные фазы электромагнитных волн, испускаемых отдельными атомами, не являются связанными (не образуют единого фронта волны - ВМ). Независимы и начальные фазы волн, которые испускаются одним и тем же атомом при повторных спонтанных переходах. Такие волны называются некогерентными”. Фотоэффект потому и не происходит, например, в инфракрасных лучах -- и у этих фотонов нет амплитуд. А за неимением последних не осуществляются сложения их квантов энергии. Но только кванты энергии и должны были (по молчаливым соглашениям) налагаться друг на друга в проявляющихся, якобы, интерференционных картинах. И уж подавно не могут интерферировать сами электроны, пройдя сквозь хоть какие щели и отверстия. Понятию их амплитуд могут соответствовать только сами частицы. А их никакими силами нельзя соединить в смысле образовать диэлектрон, дипозитрон .

Складываются во всех этих примерах только их интенсивности в полном соответствии с принципом суперпозиции. И хотя четкого определения понятию интенсивности не существует [1, 2], теория интерференции света практически сводится к количественным оценкам интенсивностей. «Интерференционные картины, даваемые различными точками источника, накладываются с суперпозицией интенсивностей» (выдел. ВМ). «Неоднократно обсуждался вопрос о трактовке И. с. с микроскопич. точки зрения. Согласно квантовой теории, каждый фотон взаимодействует с одной микрочастицей… Интенсивность света в данной точке определяется количеством приходящих в нее фотонов; поэтому интерференционная картина отображает вероятность прихода фотонов в различные точки поля наблюдения». [2, с 198].

Что, в частности, и было открыто А. Г. Столетовым.

Надо отдать должное проф. А. Н. Матвееву [4], который на стр. 43 этого учебника вынужден был после анализа опыта Винера записать: «…нельзя представить интерференцию как процесс «суперпозиции фотонов»». Характерно, например, следующее. Соавторы Фано [6] не уделили явлению интерференции практически ни одной страницы, в отличие от дифракции и суперпозиции (им – уделили). Обсуждая вопросы и об электронных, т.е. дебройлевских волнах и о фотонах, Эйнштейн и Инфельд [10] по сути говорят только об их дифракционных проявлениях. Это означает, что они уже в те времена не связывали себя в рассуждениях с явлением интерференции корпускулярных фотонов и электронов.


 

Н. Бор в своей книге [14] все рассуждения и полемику с позицией А. Эйнштейна провел, опираясь, в частности, и на рисунки, где и фотоны и электроны предполагались в виде гармоник или цугов. Он придерживался электромагнитной теории. А “по этой теории свет представляет электрические и магнитные колебания, связанные между собой и отличающиеся от обычных радиоволн только большей частотой и меньшей длиной волны.” [14 с 16] Больше того, введенное А. Эйнштейном “Представление о фотоне, при всей его плодотворности, выдвинуло совершенно непредусмотренную дилемму, поскольку всякая простая корпускулярная картина излучения явно не совместима с явлениями интерференции, которые представляют важную особенность процессов излучения и могут быть описаны только при помощи волновой картины. Острота дилеммы подчеркивается тем фактом, что интерференционные явления – это единственное средство для определения тех самых понятий частоты и длины волны, которые входят в соотношения для энергии и количества движения фотона”. [14 с 53] И Эйнштейн с Инфельдом [10 с. 214] признавали это: “…если волновая теория отбрасывается, понятие длины волны исчезает. Какое новое понятие занимает его место? Энергия световых квантов!”

Примечание. Нами [7, 8, 9] дано совершенно иное определение понятию длины волны фотона и волны де Бройля: и в том и другом случае – это длина поверхностной циркуляции векторного потенциала при поперечном сечении кванта магнитного потока, которым всегда обладает и фотон и волна де Бройля при любой их геометрической величине. Заметьте, при этом сохраняется и волновой их статус.

Э. Шпольский в своей книге «Атомная энергия» [13] очень много внимания уделил и фотонам и электронам и проявлениям их корпускулярно-волнового дуализма. И хотя вся теория построена на предположении о том, что это суть гармонические колебания и им, следовательно, присуще математически наличие амплитуды, фазы, начальной фазы и т.д., подразумевалось все-таки сложение интенсивностей вероятностного характера, из которых складывались и интерференционные и дифракционные картинки. И хотя при этом подразумевалось наложение амплитуд, но ни слова не было сказано, что при этом налагаются и кванты их энергии. То же самое относится и к описаниям интерференции в книгах Макса Борна [11], Р. Фейнмана [12],…Нет резона усложнять дело введенными Р. Фейнманом понятиями вероятностных амплитуд. [16]

Отсюда следует, что интерференционные картинки в световых явлениях имеют, разумеется, место, но они обусловлены не наложением их амплитуд, которым необходимо было ставить в соответствие кванты энергии, а их статистической интенсивностью. Кстати сказать, Н. Бор тоже полагал, что “При интенсивном облучении эта картинка (интерференционная - ВМ) складывается путем накопления многочисленных единичных процессов, причем каждый из них дает по одному маленькому пятну на фотографической пластине”. [14 с 67]

Теперь настало время, наверное, признать, что за картину интерференции принимались, возможно, проявления дифракции. Во-первых, характер изображений имеет сходства: периодичность полос. Во-вторых, и фотоны и волны де Бройля подвержены отклонениям от прямолинейного пути при прохождении ими щели, отверстия, края и т.д. на самом деле. И физически этот механизм обусловлен тем, что и фотоны и волны де Бройля – прежде всего это волны, причем волны электромагнитные. И они не могут не взаимодействовать с электромагнитными волнами де Бройля, которыми «окутаны» атомы и молекулы, в непосредственной близости с которыми проносятся и фотоны и частицы, тоже и также «окутанные». Может быть примерно о таком объяснении мечтали Эйнштейн и Инфельд : “Электронный снаряд при очень малом отверстии будет отклоняться подобно световой волне. На фотографической пластинке обнаруживаются светлые и темные кольца. Есть некоторая надежда объяснить эти явления взаимодействием между электроном и краем отверстия, хотя такое объяснение не кажется очень многообещающим” [10 с 227]. И чуть ниже: “Электрон ведет себя подобно частице, когда он движется во внешнем электрическом или магнитном поле. Он ведет себя подобно волне, когда дифрагирует (выдел. -- ВМ), проходя сквозь кристалл.” И в самом деле, когда электрон движется в электрическом или магнитном поле, то «сидящей» на нем волне де Бройля не с чем дифрагировать, нет поблизости ни атомов с их оболочками, ни отверстий и щелей с атомами по краям.

Итак, признаем, что появление чередующихся светлых и темных колец или полос при прохождении фотонами или электронами сквозь отверстия, щели или кристаллы, это – проявления дифракции. При которой налагаются только интенсивности отклоненных фотонов или электронов с их индивидуальными волнами де Бройля. Именно последние и принимались [11-14] за проявления интерференции.

К электромагнитным волнам радиодиапазона изложенное здесь не относится. Они интерферируют на самом деле, так как обладают амплитудами.

Если сомнения такого порядка начали появляться по прошествии двух с половиной веков, то это свидетельствует лишь о том, что познание природы и свойств света – не очень простое дело.


 

Читатель вправе возразить: но ведь электромагнитные волны подчиняются теории Максвелла и к ним применимы ставшие привычными понятия интерференции и дифракции. Да, это так. Но это так только относительно радиоволнового диапазона. А волны де Бройля (ВДБ) сродни им только по природе: и те и другие электромагнитные и нерелятивистские. В остальном же… Судите сами…

Волны де Бройля: 1) источником, родителем и носителем ВДБ является движущаяся заряженная частица;

2) форма ВДБ – тороидальная, строго очерченная, «сидящая» на движущейся заряженной частице;

3) квантованность: каждая ВДБ (как электрона, так и позитрона) содержит один квант магнитного потока, замкнутого на самого себя;

4) длина ВДБ определяется как длина круговой поверхностной циркуляции векторного потенциала в поперечном сечении кванта магнитного потока;

5) направление движения волн: движется заодно со своим родителем-носителем, «сидя» на нем, т.е. по направлению вектора линейной скорости частицы;

6) участие «среды» в движении ВДБ: «среда», заключенная в тороиде, движется вместе с ним. Хотя это и гипотеза, но ей нет альтернативы;

7) даже в таком явлении как эффект Комптона, т.е. когда происходит обмен энергией между рентген-фотоном и электроном (на котором «сидит» ВДБ, но почему-то забывают об этом), по одному кванту магнитного потока сохраняется и у фотона и у электронной ВДБ, каковы бы не были при этом потери и приобретения;

8) участие в биоэнергетике: всякий «транспорт» электронов и ионов в мембранах образует и ВДБ, которые в соответствии с кинематикой движения носителя ВДБ приобретают пульсирующий характер. А их статистика формирует биополе;

9) к ВДБ и фотонам не применимы понятия гармонических колебаний, а, следовательно, и интерференции;

10) дифракция обусловлена взаимодействием поверхностных циркуляций векторного потенциала ВДБ носителя с аналогичными полями атомов, мимо которых проносятся электроны да и фотоны тоже.

11) Доплеровский эффект определяется теперь через длину волны де Бройля

λ = h / m (c +- v),

где v – скорость ( в простейшем случае) приемника или источника волн, причем знак “-” относится к случаю сближения источника и или приемника. Заметьте, это стало возможным потому, что фотон –это волна де Бройля, покинувшая или покинутая электроном ;

12) плоскость линейной поляризации при отражении от «зеркальной» поверхности определяется плоскостью той поверхностной циркуляцией векторного потенциала, которой тороидальная ВДБ (и фотон) коснулась плоскости «зеркала».

 

Радиоволны: 1) излучаются в процессе электромагнитных колебаний типа вибратора Герца (осциллятора) или в импульсных явлениях;

2) в «точке» возникновения она тороидально-сферическая, вдали – сферическая, еще далее – почти плоская. Такой ее и принимают в теории и говорят о фронте волны;

3) квантованностью не обладает;

4) длина волны определяется как расстояние между ближайшими точками одинаковой фазы;

5) распространяется радиально от оси «вибратора Герца», а не вдоль оси;

6) «среда» не участвует в поступательном движении волны;

7), 8) не применимы к радиоволнам; животные, как правило, не обладают способностью излучать радиоволны: видимо, не позволяют затраты энергии, тем более, что в этом нет и острой необходимости;

9) к волнам радиодиапазона применимы понятия и «гармонические» и «интерференция»;

10) дифракция имеет место;

11) доплеровский эффект определяется как разрядка или сближение, напр. сферических волн, обусловленное удалением приемника (и или их источника) друг от друга;

12) плоскость линейной поляризации радиоволн определяется плоскостью, содержащей ось вибратора (осциллятора) Герца. В этой плоскости и располагаются векторы электрической напряженности и векторного потенциала волны.

ЧИТАТЕЛЯМ! Теперь сами соображайте о прочитанном.

Использованная литература

  1. Физическая энциклопедия
  2. Физический энциклопедический словарь
  3. Ландсберг Г. С.ОптикаМ1957
  4. Матвеев А. Н.Атомная физикаМ1989
  5. Филиппов А. Т.Многоликий солитонМ1990
  6. Фано У., Фано Л.Физика атомов и молекул«Наука»М1980
  7. Мантуров В. В.Фотон.Каков он?(Фотон – это волна де Бройля, покинутая электроном).Международная академия.Межакадемический информационный бюллетень.№ 20Юбилейный300-летию Великого города Петра посвящается
  8. Мантуров В. В.Масса фотона(О массе фотона)там же
  9. Мантуров В. В.Шаровая молния как система волн де БройляМ2001
  10. Эйнштейн А., Инфельд Л.Эволюция физикиМ 1965(издание третье)
  11. Борн МаксЭйнштейновская теория относительностиМ1964
  12. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.Феймановские лекции по физике6электродинамикаМ1966
  13. Шпольский Э. В.Атомная физикатом 1 и 2 (издание шестое)М1974
  14. НильсБор.Атомная физика и человеческое познаниеМ1961
  15. Климонтович Ю. Л.Квантовые генераторы света и нелинейная оптикаМ1966
  16. Фейнман Р.КЭД странная теория света и вещества.КвантМ1988
  17. Мантуров В. В.Физика волн де БройляАктуальные проблемы современной науки№6 (9)М2002

 

Примечание. Опубликована в МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ Межакадемический информационный бюллетень № 22 Юбилейный СПб 2006 с150-154