Порционный микромир

Теории восприятия цвета

На сегодняшний день, существуют несколько теорий восприятия цвета. Пожалуй, самой распространенной из них является Трехкомпонентная теория, предложенная тремя авторами: М.В. Ломоносовым, Т. Юнгом и Г. Гельмгольцем. Согласно этой теории, в органе зрения человека существуют три цветоощущающих аппарата: красный, зеленый и синий. Каждый из них возбуждается в большей или меньшей степени, в зависимости от длины волны излучения. Затем возбуждения суммируются аналогично тому, как это происходит при суммируемом смешении цветов. Суммарное возбуждение ощущается человеком как тот или иной цвет. В своей работе «Цветовое зрение» авторы Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич о .

Другой, очень распространенной и имеющей множество подтверждений, теорией является теория оппонентных цветов Э. Геринга. Геринг выдвинул предположение, что в колбочках сетчатки могут существовать три вида гипотетических веществ: бело-черные, красно-зеленые и желто-синие. Световой поток влечет их разрушение (одни световые лучи) с образованием белого, красного или желтого цветов или синтез (другие световые лучи) чорного, зеленого или синего цвета. Геринг предполагал, что имеются четыре основных цвета красный, желтый, зеленый и синий, и что они попарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов зелено-красного механизма и желто-синего механизма. Постулировался также третий оппонентный механизм для ахроматически дополнительных цветов белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Геринг назвал эти цветовые пары «оппонентными цветами». Из его теории следует, что не может быть таких цветов, как зеленовато-красный и синевато-желтый. Таким образом, теория оппонентных цветов постулирует наличие антагонистических цветоспецифических нейронных механизмов. Например, если такой нейрон возбуждается под действием зеленого светового стимула, то красный стимул должен вызывать его торможение. Предложенные Герингом оппонентные механизмы получили частичное подтверждение после того, как научились регистрировать активность нервных клеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, у некоторых позвоночных, обладающих цветовым зрением, были обнаружены красно-зеленые и желто-синие горизонтальные клетки. У клеток красно-зеленого канала мембранный потенциал покоя изменяется и клетка гиперполяризуется, если на ее рецептивное поле падает свет спектра 400-600 нм, и деполяризуется при подаче стимула с длиной волны больше 600 нм. Клетки желто-синего канала гиперполяризуются при действии света с длиной волны меньше 530 нм и деполяризуются в интервале 530-620 нм.

Множество проводимых исследований подтвердили предположения этих двух теорий, так например колбочки у приматов существуют всего трех типов: воспринимающие цвет в фиолетово-синей, зелено-жёлтой, в желто-красной частях спектра. Каждый вид колбочек интегрирует поступающую лучистую энергию в довольно широком диапазоне длин волн, и диапазоны чувствительности трех видов колбочек перекрываются, различаясь лишь диаграммой величины чувствительности.

Человеческое зрение, таким образом, является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире известны четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными так, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминисценции компонентов их мочи.

Как свет воспринимается глазом

Свет воспринимается глазами человека в диапазоне 370-790 нм. Ультрафиолетовое излучение наше зрение зафиксировать не может, зато его воздействие испытывает на себе наша кожа, на которую оно оседает в виде загара. Инфракрасное же излучение ощущается человеком как тепло. Разработки последних лет подтвердили преимущество инфракрасных обогревателей перед другими видами.

Сетчатка глаз обладает уникальной способностью улавливать фотоны и передавать эту информацию в мозг для последующей обработки. Это подтвержденный факт, который свидетельствует о том, что человек является гармоничной частью природы.

Комптоновское рассеяние

Неупругое рассеивание фотона на свободной заряженной частице заканчивается ослаблением энергии, при этом длина волны фотона увеличивается в размере. Часть этой энергии распыляется на находящиеся поблизости электроны. Существует также обратный процесс. Комптоновское рассеяние является неупругим, поскольку протяженность волны света, который был рассеян, отлична от падающего излучения. Что же предложил Комптон? Эффект в данном случае может рассматриваться как упругое сталкивание. Передвижение электронов в атомах ведет к увеличению ширины комптоновской полосы рассеянного света. Это можно объяснить тем, что для находящихся в движении электронов протяженность волны падающего излучения выглядит немного трансформированной, при этом величина перемен находится в прямой зависимости от размера и направления скорости перемещения электрона.

Квантовая — значит дискретная

В классической физике Ньютона, Галилея и даже Эйнштейна было одно замечательное свойство — все физические величины можно было не только измерить, но и с любой степенью точности вычислить их последующие изменения во времени. Поведение любой, сколь угодно сложной, системы и движение тел любой массы и размера были в принципе предсказуемы. Квантовая механика предложила принципиально иную систему законов, управляющих миром. Первые изученные ею микрообъекты — атомы, электроны и фотоны, категорически не желавшие вести себя как классические, заставили физиков кардинально изменить методы описания природных явлений.

К началу XX века в классическом естествознании возникли большие трудности с объяснением целого ряда явлений, начиная от дискретного характера оптических спектров и устройства атома и заканчивая тепловым излучением тел и внешним фотоэффектом. Понимание того, что микромир живет по особым законам, формировалось постепенно и происходило с большим трудом, поскольку очень уж необычными были эти законы.

Классическая физика оперировала величинами, которые могли изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые сколь угодно близкие значения. Попытка такого классического подхода к миру атомов и элементарных частиц потерпела неудачу, и ученым пришлось построить новую — квантовую механику, адекватно описывающую особый мир микроскопических частиц и изменений энергий. В новой теории много необычного, и одна из особенностей квантового мира состоит в том, что его характеристики могут изменяться лишь дискретным способом, принимая ряд фиксированных значений.

Практика телепортации

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Чарлза Беннета, которая, используя запутанные состояния, показала, что при присоединении третьей частицы к одной из запутанных частиц можно передавать ее свойства другой удаленной частице. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена в работах двух групп исследователей — австрийской, из Университета в Инсбруке, возглавляемой Антоном Цойлингером, и итальянской, из Университета в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике при передаче по оптическим кабелям состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстоянии до 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами — электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более долгоживущей. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. Телепортация может обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети.

Квантовая механика описывает элементарные частицы, движущиеся со скоростями, много меньшими скорости света. Квантовая теория поля описывает процессы с участием частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. И то, и другое в совокупности составляет квантовую теорию, описывающую движение, взаимодействие, рождение и уничтожение элементарных частиц.

Квантовые порции

Одной из первых проблем, для решения которой понадобилось введение кванта энергии, было рассмотрение сосуществования частиц и полей и построение теории теплового излучения. Это излучение можно почувствовать не только под ярким летним солнцем, но и поднеся руку к обычной лампочке или горячему утюгу. Однако попытки объяснить такие обыденные явления в рамках классической теории оказались несостоятельными.

В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы». В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет.

Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).

Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями — квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.

Обратное комптоновское рассеяние

Обратного комптоновского рассеяния является рассеяние электронов на фотоны , тем самым передавая большую часть своей энергии. Это очень важный эффект в астрофизике , который помогает объяснить эффект Сюняева-Зельдовича в космологии .

На теоретическом уровне описание обратного эффекта Комптона аналогично описанному выше. Это просто смена эталона . Помещая себя в надлежащую систему отсчета электрона после диффузии, можно понять, что частота фотона увеличивается за счет энергии налетающего электрона. Таким образом, разница между прямым эффектом и обратным эффектом заключается скорее в начальных условиях: первое проявляется при рассеянии фотонов на электронах, практически находящихся в состоянии покоя (в веществе), второе — в торможении электронов. Быстро фотонами более или менее низкая энергия, присутствующая в межзвездной среде.

Фотонно-электронное взаимодействие

Одним из важнейших понятий при изучении комптоновского рассеивания является фотон, который, согласно теории света, является квантом электромагнитной энергии и они всегда находятся в движении, и даже в вакууме есть постоянная скорость распространения света

Эффект Комптона имеет важное значение, поскольку он демонстрирует, что свет не стоит рассматривать чисто как волновой феномен. В 1923 году Комптон подарил миру науки статью, в которой он вывел математическое соотношение между сдвигом в длине волны и углом рассеивания х-лучей, предполагая, что каждый свободный рентгеновский фотон начнет взаимодействие с одной заряженной частицей

Это приводит к тому, что электрону отдается часть энергии, а фотон, содержащий оставшуюся часть энергии, испускает ее в сторону, отличную от начальной, при этом общий импульс системы сохраняется. Этот эффект является одной из трех основных форм взаимодействия фотонов и главной причиной рассеянного излучения в материале. Это происходит из-за взаимодействия рентгеновского или гамма-фотона с крайними (и, как следствие, слабо связанными между собой) валентными электронами на атомном уровне.

Внешние ссылки [ править ]

• Комптоновское рассеяние — Государственный университет Джорджии
• Данные комптоновского рассеяния — Государственный университет Джорджии
• Вывод уравнения комптоновского сдвига.
• Комптоновское рассеяние — анимация, созданная BIGS

Неустойчивый атом

Про то, что существуют минимальные, далее неделимые, частицы материи, говорили еще древние греки. К концу XIX века уже почти никто из ученых не сомневался в реальности атомов, но было непонятно, как они устроены и из чего состоят. Существовало много разных гипотез, но только в 1911 году, после опытов английского физика Эрнеста Резерфорда по обстрелу атомов золота а-частицами, родилась планетарная модель атома. Согласно этой модели в центре атома, подобно маленькому солнцу, располагалось ядро. Вокруг ядра, сходно планетам, обращались электроны, удерживаемые электромагнитными силами. Планетарная модель позволила объяснить результаты опытов, но оставался непонятным факт существования атома. Согласно классической теории электрон, вращающийся в атоме, должен излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен в конце концов упасть на ядро, а атом — прекратить свое существование.

Выход из этого «тупика» был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В своей модели Бор рассматривал электроны как классические частицы, движущиеся вокруг маленького массивного ядра под влиянием электрического поля. Однако вопреки законам классической физики Бор предположил существование в атоме стационарных (не меняющихся во времени) состояний, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях электрон не излучает. Излучение и поглощение света происходят лишь в том случае, когда атом переходит из одного состояния в другое.

Эффект наблюдателя — простые ответы на сложные вопросы

Чем же в итоге является свет? Свет — своего рода парадокс. Он не является ни волной, ни частицей, но проявляется и те, и другие свойства, которые взаимно дополняют друг друга.

Что из себя представляет квантово-волновой дуализм сегодня? На сегодняшний день квантово-волновой дуализм имеет значение, скорее, для общего понимания эволюции физики и более интересен историкам, а не физикам, так как представляет собой историческую ценность, а не научную.

Почему сегодня квантовый дуализм потерял научную ценность? Сейчас существует более двух способов описания материального объекта (корпускулярный, волновой, термодинамический и т.д.) Кроме того, противопоставлять и сравнивать материальный объект некорректно.

Почему спустя столько лет опыт Юнга показал иной результат? Дело в том, что возможность запустить в щель лишь один электрон появилась лишь с появлением нового оборудования. У Томаса Юнга в девятнадцатом веке просто не было такой возможности.

Думал ли кто-то о квантово-волновом дуализме раньше его появления? Вряд ли. Учёные опирались на работы своих предшественников и зачастую боялись отступиться от уже сформированной картины мира. Именно поэтому до конца девятнадцатого века физики надеялись доказать существование эфирной среды. Тем более квантовая физика совершенно не похожа на классическую. Многие законы квантовой физики для классического варианта абсурдны.

Эмпирика точных расчетов

Открытие универсальности дуализма волна—частица для всего микромира привело к пониманию того, что противопоставление понятий «частица» и «волна» не совсем оправданно. Квантовые объекты должны описываться более фундаментальными понятиями, а представления о «частице» и «волне» лишь в некоторой степени отражают объективную реальность окружающего нас мира.

Классические частицы движутся по определенным траекториям. Если точно известны координаты и импульсы частицы в начальный момент времени, то можно определить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.

Электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы принципиально отличаются от таких классических объектов, как, например, дробинка или шарик для пинг-понга. Одно из основных различий заключается в том, что квантовая частица движется не по траектории. При этом неправомерно говорить об одновременных значениях ее координаты и импульса. В этом и состоит принцип неопределенности, установленный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Соотношение неопределенности подчеркивает принципиальное различие в описании состояния системы в классической и квантовой физике. Состояние классической частицы можно описывать с помощью точного задания координат и импульсов. Для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. При этом квантовая механика позволяет установить, какие из физических величин, характеризующих систему, могут иметь одновременно определенные значения, а какие нет.

Диапазон применения квантовой механики удивительно широк. Ей подчиняется огромное число явлений и процессов—деление атомных ядер и образование нейтронных звезд, форма химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.

Для понимания законов квантового мира нельзя опереться на повседневный опыт. Частицы ведут себя как классические только в том случае, если мы постоянно «подглядываем» за ними, или, говоря более строго, непрерывно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам «отвернуться» (прекратить наблюдение), как квантовые частицы переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных состояний. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично — в другой, частично — в третьей и так далее. И это вовсе не означает, что он делится на части — в противном случае какую-нибудь часть электрона можно было бы изолировать и измерить ее заряд или массу. Опыт же показывает, что после измерения электрон всегда оказывается «целым и невредимым» в одной-единственной точке, несмотря на то, что до этого успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называемое суперпозицией квантовых состояний, описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Эрвином Шредингером. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается в ту точку, где частица была обнаружена, а затем, после измерения, опять начинает расплываться.

Но вернемся к эксперименту с двумя щелями. Напомним, что квантовая частица проходит одновременно через две щели, и на экране наблюдается интерференционная картина. При этом квантовая механика предсказывает, что при определении (измерении с помощью любого прибора) того, через какую из двух щелей проходит квантовая частица, интерференционная картина разрушается. Впервые осуществить такого рода эксперименты позволили достижения техники лазерного охлаждения атомных пучков и достижения последних лет в квантовой оптике. Так, с помощью монохроматического пучка атомов натрия в Университете города Констанц (Германия) был реализован эксперимент с двумя щелями. Он показал, что попытка определить траекторию атома путем рассеяния фотонов приводит к исчезновению интерференционной картины.

Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка (энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами).

Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества.

При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость. Формула:

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

• Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
• Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
• Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.

В итоге физики смогли прийти к заключению и открыли новое явление: корпускулярно-волновой дуализм.

В 1923 году Луи де Бройль предположил, что не только свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом — но и элементарные частицы.

Дифракция электронов на щели подтверждает теорию корпускулярно-волнового дуализма. Источник изображения: school-collection.edu.ru.

Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, обладающие определёнными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Наукой, которая рассматривает объекты с точки зрения квантово-волнового дуализма, стала квантовая механика.

Чтобы наглядно представить явление квантово-волнового дуализма, вернёмся к уже знакомому нам эксперименту Томаса Юнга — опыта с двумя щелями.

Через щели теперь будут пропускать лишь одну элементарную частицу — электрон. Квантовая механика демонстрирует нам удивительную картину: пока данная элементарная частица не попадёт на экран, она не будет занимать определённого положения в пространстве.

Частица не летит по какой-либо траектории — её «путь» представляет собой систему эволюционирующего набора вероятностей того, какими путями она может двигаться. В данный момент времени эта частица находится нигде. А когда мы начинаем непосредственное наблюдение, мы видим мы её лишь в одном из всех возможных положений.

Здесь мы и знакомимся с эффектом наблюдателя.

Характеристики и основные свойства света

Основной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, то есть его двойственная природа, присущие ему свойства и волны, и частицы.

К основным волновым свойствам данного явления относятся:

1. Интерференция — пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.
2. Дифракция. Этим термином называется свойство световой волны огибать препятствия на своем пути. 
3. Поляризация — свойство световых лучей распространяться в определенном направлении (лазеры).

Квантовыми свойствами света считаются:

1. Фотоэффект — выделение веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.
2. Излучение черного тела. Абсолютно черным телом в физике называют тело, поглощающее все то излучение, которое на него падает.
3. Эффект Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения получил название эффект Комптона.

Спектральный состав света

Еще Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет является набором многих цветов или волн, имеющих различную длину, которые при взаимодействии складываются в белый. Видимый свет находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров. 

Если излучение обладает волнами, короче 380 нм, то оно относится к ультрафиолетовому свету, если излучение имеет длину волн более 780 нм — оно называется инфракрасным. 

За пределами ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся и другие, известные науке виды:

• гамма-лучи;
• рентгеновские волны;
• микроволновой диапазон и др.

Эффект наблюдателя простыми словами

В квантовой механике термин «наблюдатель» используется в значении, когда мы что-то измеряем. Если в макромире нам достаточно применить какой-либо измерительный прибор (например, нам нужно узнать длину простого карандаша — мы используем для этой цели линейку), чтобы узнать точное или приблизительное значение, то в микромире любая попытка наблюдения (измерения) изменит квантовую систему.

Объяснение эффекта наблюдателя простыми словами.

Проще всего это демонстрируется при помощи мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера.

Визуализация мысленного эксперимента Шредингера

Более поздние исследования показали, что наблюдение как изменение свойств объектов микромира распространяется не только на одну конкретную частицу, но и на другие объекты, находящиеся во взаимодействии с ней. Из этого следует эффект квантовой запутанности. Вкратце это: