Strona głównaPytania → Gdzie się podziała energia fotonu?

Gdzie się podziała energia fotonu?

Pytanie

Pyta Michał

Poszukując odpowiedzi na dość dziwne pytanie „Jaki kształt ma foton?” stanąłem przy okazji przed ścianą której nie mogę przeskoczyć korzystając z ogólnodostępnych źródeł wiedzy. Mianowicie:
W większości obrazowań fali elektromagnetycznej pokazywany jest następujący wykres – http://tinyurl.com/oa6j55x — czyli składowa magnetyczna oraz prostopadła do niej składowa elektryczna które równocześnie zwiększają swój potencjał, załóżmy „dodatni”, by potem zacząć go zmniejszać, przejść przez punkt „zero”, oraz z powrotem zwiększać, ale już w postaci „ujemnej”. O ile byłoby wszystko zrozumiałe gdyby te składowe oscylowały przesunięte o 90 stopni w fazie — maksimum jednej na „zero” drugiej, o tyle nie jestem w stanie wyjaśnić gdzie jest zmagazynowana energia fotonu w momencie gdy obie składowe wynoszą jednocześnie zero. Oczywiście nie jestem fizykiem, prawdopodobnie czegoś nie wiem, dlatego moje pytanie brzmi: Gdzie, według obecnego stanu wiedzy, foton magazynuje energie w momencie przechodzenia składowych przez punkt „zero”?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Wspomniany w pytaniu wykres poprawnie przedstawia pola elektryczne i magnetyczne klasycznej fali płaskiej będącej rozwiązaniem równań Maxwella. Fotonu nie można identyfikować z wartościami tych pól w jakimkolwiek konkretnym punkcie. Fotony opisywane są przez wzbudzenia kwantowego pola elektromagnetycznego mające pewną niezerową objętość przestrzenną. Dopuszczalne są różne możliwe opisy tych wzbudzeń, w zależności od wyboru bazy („układu współrzędnych”) w przestrzeni pól. W wielu przypadkach wygodna jest baza fal płaskich, z których każda ma formalnie nieskończoną objętość przestrzenną. Możliwe są też inne bazy, i dla każdej z nich otrzymujemy inne „kształty” fotonów. Natura oddziaływań kwantowych sprawia, że w wielu wypadkach oddziaływania fotonów z cząstkami materii (wzbudzeniami innych pól) możemy opisywać tak, jakby dotyczyły zderzeń punktów materialnych, których położenia i/lub pędy zadane są pewnymi rozkładami prawdopodobieństw. Fala płaska odpowiada cząstce o ustalonym pędzie i o płaskim rozkładzie prawdopodobieństwa znalezienia tej cząstki w dowolnym punkcie przestrzeni. Jeśli stosujemy formalizm poprawnie, to przewidujemy te same wyniki eksperymentów niezależnie od tego, czy wyobrażamy sobie foton jako rozciągłe wzbudzenie pola, czy jako punktową cząstkę. Każde z tych dwóch wyobrażeń odpowiada jedynie innemu sposobowi konstrukcji tej samej przestrzeni Hilberta stanów fizycznych. Istnienie takich dwóch możliwości określa się nazwą dualizmu korpuskularno-falowego w mechanice kwantowej.