Фотон

Развитието на фотоните

Предложението и развитието на фотоните — квантовата теория на светлината

In1901,GermanphysicistPlanck(Plank)foundtheenergydistributionlawoftheabsoluteblackbodyradiationspectrumunderthermalequilibriumconsistentwiththeexperiment.Thislawisthestartingpointforthedevelopmentofquantumtheory.Thebasisofthislawistoassumethatmatterhasdiscontinuouscharacteristicsoflightemittedandabsorbed,andthatlightisemittedorabsorbedbyafinitepart-lightquanta.

Theenergyεofthisphotonisproportionaltothevibrationfrequencyωoflight,andcanbeexpressedbythefollowingequation

Тук

WhenEinsteinpointedoutthatinadditiontoenergyε,animpulse(thedirectionofthisimpulseisconsistentwiththepropagationdirectionoflight)mustbeusedtodescribethephoton,thephotonTheexpressionhasonlygotaperfectform.

Ако вълновият векторk,е въведен, неговият компонент е равен на

whereλisthewavelength,andcosα,cosβ,cosγIsthecosineofthenormaldirectionofthelightwave,sotheimpulseformulaofthelightquantumcanbewritteninvectorform

photonaction

photonisTheelementaryparticlethattransmitselectromagneticinteractionisagaugeboson.Photonisthecarrierofelectromagneticradiation,andinquantumfieldtheory,photonisconsideredasthemediatorofelectromagneticinteraction.Comparedwithmostelementaryparticles,therestmassofaphotoniszero,whichmeansthatitspropagationspeedinvacuumisthespeedoflight.Likeotherquanta,photonshavewave-particleduality:photonscanshowthepropertiesofclassicwavessuchasrefraction,interference,anddiffraction;andtheparticlenatureofphotonscanbeprovedbythephotoelectriceffect.Photonscanonlytransmitquantizedenergy.Theyarelatticeparticlesandthemass-energyphaseofcirclequantumparticles.

Photonproperties

Aftertheestablishmentofquantumelectrodynamics,itisconfirmedthatphotonsarethemediaparticlesthattransmitelectromagneticinteractions.Chargedparticlesinteractbyemittingorabsorbingphotons.Thepairofpositiveandnegativechargedparticlescanbeannihilatedandconvertedintophotons,andtheycanalsobegeneratedinanelectromagneticfield.

Photonsareparticlesthatcarryenergyinlight.Theenergyofaphotonisproportionaltothefrequencyofthelightwave.Thehigherthefrequency,thehighertheenergy.Whenaphotonisabsorbedbyanatom,anelectrongainsenoughenergytotransitionfromtheinnerorbittotheouterorbit,andtheatomwiththeelectronictransitionchangesfromthegroundstatetotheexcitedstate.

Фотоните притежават енергия, импулс и маса. Според уравнението за маса-енергия,E=mc²=hν, намерете< i>m=hν/c²,

Becausethephotoncannotbestationary,ithasnostationarymass.Themasshereistherelativisticmassofthephoton.

Според теорията на квантовото поле двойка положителни и отрицателни частици могат да се анихилират в двойка високоенергийни гамафотони, а двойка високоенергийни гамафотони също могат да реагират при високи температури и да спрат да произвеждат двойка положителни и отрицателни частици. Например при температураT=10 ¹⁵K, може да настъпи преобразуване на фотони в бариони като протони и неутрони.

Thepositron-negativeelectronscattering(alsocalledBha-Bhascattering)representedbyFeynmandiagram,andthewavylinerepresentstheprocessofexchangingvirtualphotons.

Вижте: Специална теория на относителността

Fromtheperspectiveofwaves,photonshavetwopossiblepolarizationstatesandthreeorthogonalwavevectorcomponents,whichdetermineFromthepointofviewofparticles,therestmassofthephotoniszero,thechargeiszero,andthehalf-lifeisinfinite.Aphotonisagaugebosonwithaspinof1,sothenumberofleptons,baryons,andsingularnumbersareallzero.

Има маса на фотона е строго нула, което по същество е еквивалентно на строгата обратна квадратна връзка на закона на Кулон. Ако масата на фотона не е нула, тогава законът на Кулон не е строго обратният квадратен закон. Всички свързани класически теории, като уравненията на Максуел и Лагранжовата величина на felec тромагнитни полета, разчитайки на предположението, че статичната маса на фотоните е строго нула. От връзката маса-енергия и формулата на фотонната енергия на Айнщайн може приблизително да се получи горната граница на фотонната маса:m=hν/< i>c²

Тукmе горната граница на фотонната маса иνе честотата на всяка електромагнитна вълна, която е резонансът на Шуман в ултранискочестотната лента. Най-ниската известна честота е около 7,8Hz (Херца).

Thisvalueisonlytwoordersofmagnitudehigherthanthecurrentlyacceptedupperlimit.

Вижте Photons: CanonicalBosons

Photonscanbeproducedinmanynaturalprocesses,forexample:inmolecules,atomsornucleifromhighenergylevelstolowenergyPhotonsareradiatedwhenthechargeisacceleratedduringtheleveltransition,andphotonsarealsoproducedwhenparticlesandantiparticlesareannihilated;intheabove-mentionedtimereversalprocess,photonscanbeabsorbed,thatis,molecules,atomsornucleitransitionfromlowenergylevelstohighenergylevels,Thegenerationofparticleandantiparticlepairs.

Скоростта на фотоните във вакуум е скоростта на полета и връзката между енергиятаEи импулсаpеp=E/c ;Връзката енергия-импулс на частиците със статичната маса в релативистичната механика.

Енергията и импулсът на фотона са свързани само с честотата ν на фотона; или са свързани само с дължината на вълнатаλ. По този начин импулсът на фотона се получава катоp=h/λ=hv/ c.

къдетоhсе нарича константа на Планк.

Заключение може да се извлече от формулите за енергия и импулс на фотоните

Theannihilationprocessofparticlesandtheirantiparticlesmustproduceatleasttwophotons.Thereasonisthatthetotalmomentumofthesystemcomposedofparticlesandtheirantiparticlesinthecenterofmasssystemiszero.Duetothelawofconservationofenergy,thetotalmomentumofthegeneratedphotonsmustalsobezero;becauseasinglephotonalwayshasanon-zeromomentum,thesystemOnlytwoormorephotonscanbegeneratedtosatisfythetotalmomentumofzero.Thefrequencyatwhichphotonsareproduced,thatis,theirenergy,isdeterminedbythelawofconservationofenergy-momentum(four-dimensionalmomentumconservation).Fromtheconservationofenergy-momentum,itcanbeseenthattheinverseprocessofparticleandantiparticleannihilation,thatis,theprocessoftwo-photongeneratingelectron-antielectronpairscannotbespontaneouslygeneratedinavacuum.

Фотон има вълнова частица

Thatistosay,photonnotonlyhasthecharacteristicsofoneparticlebyoneparticle,butalsohasthevolatilitylikesoundwave.Whentimeisaninstantaneousvalue,photonspropagateintheformofparticles;whentimeisanaveragevalue,photonspropagateintheformofwaves.Thewavenatureofphotonsisprovedbythediffractionofphotons,andtheparticlenatureofphotonsisprovedbythephotoelectriceffect.

Някои хора по-горе смятат, че не е погрешно динамичната маса на фотона да е нула, а статичната маса на фотона е нула, в противен случай динамичната му маса ще бъде безкрайна. Но динамичната му маса съществува. Методът за изчисление е следният: Първо, тъй като енергията на фотона с честотаvеE i>=hv,(Къде< i>hе константата на Планк), така че нейната маса може да бъде получена от формулата за маса-енергия:m=E/c² =hv/c²къдетоc²представлява квадрата на скоростта на полета. Този метод е предложен за първи път от Айнщайн.

PhotonTheory

Photonshavespeed,energy,momentum,mass,andcondensation.Itisimpossibleforphotonstostandstill.Photonscanbecomeothersubstances(suchasapairofpositiveandnegativeelectrons),butenergyandmomentumareconserved.[Withinafewnanoseconds)controlthepathandpolarizationofphotonswiththesamewavelengthasthecurrentopticalcommunicationnetwork.Thenewphotoniccircuitcanbeintegratedintotheexistingopticalcommunicationnetwork,therebysignificantlyimprovingtheperformanceofthenetwork.Thelatestresearchhastakenasteptowardstherealizationofopticalquantumcommunication.

ScientistsfromtheUniversityofBristol,Heriot-WattUniversity,andtheKavliInstituteforNanoscienceintheNetherlandspublishedthisstudyontherapidcontrolofthepathandpolarizationofsinglephotonsinthelatestissueofPhysicalReview"LearningExpress"magazine.

Whentheystudiedaquantumopticaldevicecomposedofcircuits,theyfoundthatasinglephotonwouldmovethroughthesecircuits,andthesecircuitscouldalsobereconfiguredtochangethepathandpolarizationdirectionofthephoton.However,suchquantumopticalcircuitscannotquicklymanipulatesingle-photonandmulti-photonstates.Inordertosolvethisproblem,theyusedalithiumniobatewaveguidethathasbeenproventobecapableofrapidmanipulationinexistingcommunicationmodulators,andprovedthatapplyingavoltagetothewaveguideneartheelectrodecanquicklymanipulateoneortwowavelengthsof1550nanometers.Thequantum(includingpathandpolarization)stateoflightcomposedofaphotonisexactlythewavelengthusedintheexistingcommunicationnetwork.

DamienBonooftheUniversityofBristol,wholedtheresearch,said:“Inthisexperiment,wedemonstratedtwocircuitconfigurations.Eachcircuitconfigurationleadstoadifferentquantumstate.Configurationonlytakesafewnanoseconds.Inpreviousexperiments,thecircuitcanbereconfiguredeveryfewseconds.Communicationnetworksuseswitchesmadeofthesametechnologytotransmitinformationbytesencodedbyopticalpulseseveryday.Intermsoftheabove,suchaswitchcanalsobeusedatthesingle-photonlevel."

Bonosaid:"Uptonow,themanipulationofthequantumstateoflightonthechiphasalwaysreliedonheaters,whichcanbeusedasaslowphaseshifter.Thelatestresearchshowsthatthelithiumniobatewaveguidecanuseacompletelydifferentmethodtomanipulatethequantumstateoflightmorequickly.Wecannotonlyopenandclosetheopticalpackettosendtraditionalinformationaccordingtotheprescribedroute,butalsoQuicklyprocessandmanipulatethequantumstateoflight."

Scientistspointedoutthatbeingabletoquicklycontrolthepolarizationandpathofasinglephotononasingleplatformisveryimportanttobasicquantumscienceandquantumtechnology.Bonosaidthatthelithiumniobatematerialsusedtomakethesedevicescanalsorandomlygeneratephotons.Inaddition,single-photondetectorswithsuperconductivitycanalsobeintegratedonsuchachip.Atechnologyplatformthatcombineslightsources,circuits,anddetectorsthatcanrandomlygeneratephotonscanbeusedinthefollowingareas:multiplephotonsourcesareusedtoobtainreliablesingle-photonsources,quantumrelaysrequiredforlong-distancequantumcommunications,Quantumkeydistributionusedinquantumcryptography,etc.

Inthepast,someold-fashionedradiosusedelectronictubes,andtheyhadtobewarmedupeachtimetheyworked.Withtheapplicationofsemiconductortubes,thepreheatingtimeissaved.Nowadays,similaradvanceshavetakenplaceinthefieldofopticalquantummodulationequipment.Inthepast,aheaterwasusedtoreconfigurethecircuitinafewseconds,anditwaspossibletoswitchtoanothercircuitinafewnanoseconds.Theuseoflithiumniobateasawaveguidedeviceisacommontechnicalmethodinthemodemera.Butwhowouldhavethoughtthataslightchangeinthemediocrephotoelectricconversionequipmentcouldhelpthemostcutting-edgeopticalquantumcommunicationresearchtomakeabreakthrough?Withtheintegrationoflightsources,circuits,anddetectors,theworkloadofquantumcommunicationresearcherscanbereducedalot.

Свързани събития

Професори от Университета за наука и технологии Huazhong предефинират горната граница на масата в покой на фотона

ProfessorsofHuazhongUniversityofScienceandTechnologyredefinetheupperlimitofphotonrestingmassSomepeopleintheindustrybelievethatthezerorestmassofphotonsisoneofthebasicassumptionsofclassicalelectromagnetictheory.Butsomescientistsbelievethatphotonsmayhaverestmass.Iftheexperimentfinallydetectsthatthephotonhasarestmass,thensomeclassicaltheorieswillhavetochange.

IntheAmerican"PhysicalReviewLetters"(PhysicalReviewLetters),aspecialarticleintroduced:"AnewexperimentcompletedbyChinesescientistLuoJunandothersshowsthatunderanycircumstances,Therestmassofaphotonwillnotexceed10totheminus54kilogram.Thisresultis1/20ofthepreviouslyknownupperlimitofphotonmass.”LuoJunandhiscolleaguesusedanovelexperimentalmethodtoexperimentinacave.Theupperlimitoftherestingmassofphotonsintheroomhasbeenfurtherincreasedbyatleastanorderofmagnitude.

Itisreportedthatifthephotonhasastaticmass,althoughitwillnotaffectpeople’sdailylife,theconsequenceswillbefundamental-forexample,thespeedoflightwillchangewiththechangeofwavelength,andLightwaveswillbeabletoproducelongitudinalvibrationsjustlikesoundwaves.