Sähkömagneettinen säteily ja sen kvantit

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Varauksen ympärillä olevaa sähkökenttäähän kuvataan vuoviivoilla, jotka etenevät lähteestä vastakkaisiin varauksiin tai äärettömän kauas. Jos varauksen liiketila muuttuu, tähän vuoviivastoon ilmestyy muutos, joka etenee nopeudella c ko. kentän piirissä. Liikkeelle lähtee siis sähkömagneettinen aalto, koska muuttuva sähkövuo luo muuttuvan magneettivuon ja päinvastoin.

Kuvitellaanpa mitä tapahtuu isotrooppiselle aallolle, joka leviää avaruuteen. Sen energian pitäisi jakautua yhä laajenevalle pallopinnalle heiketen heikkenemistään etäisyyden kasvaessa. Kuitenkin fotonit omaavat hyvinkin pitkän matkan jälkeen lähes alkuperäisen energiamäärän. Miten tämä on selitettävissä?

Selitys on yllättävän yksinkertainen, heti muodostumisensa jälkeen aalto jakautuu erillisiin sm-hiukkasiin, jotka kuljettavat alkuperäisen aallon energiaa mukanaan kvantittuneessa muodossa. Eli kyseessä on hiukkanen, jossa alkuperäisen vuonmuutoksen seurauksena vaihtelevat sähkö- ja magneettikenttä sievässä paketissa, joka on kuitenkin samalla ulospäin sähköisesti neutraali.

Yksinkertaistettu analogia löytyy esim. avaruuteen laajenevasta vesirenkaasta (tai pallokuoresta), joka lopulta jakautuu erillisiksi molekyyleiksi, kun sidosten väliset voimat eivät enää kykene pitämään rengasta yhtenäisenä.

Mielenkiintoista tässä on, että Maxwellin yhtälöt kuvaavat miten sähköiset vuorovaikutukset etenevät esim. johtimessa ja induktio / siirrosvirta syntyy, mutta se ei itse asiassa käsittele lainkaan sitä miten nuo muodostuneet neutraalit hiukkaset etenevät avaruudessa. Maxwellin yhtälöt kuvaavat (tai ennustavat) kyllä sm-aallon syntymisen, mutta ei sitä, mitä tapahtuu sen jälkeen.

Nämä sm-aallon pilkkoutumisen johdosta syntyneet sm-neutraalit hiukkaset (fotonit) toimivat sisäisesti edelleen sähkö- ja magneettikentän vaihtelun pohjalta (taajuus sama kuin alkuperäisellä aallolla), mutta ulkoisesti tätä aaltomuotoa ei voida havaita ennen vuorovaikutusta jonkin materian kanssa. Tästä täytyy olla seurauksena se, että ne hiukkaset etenevät sillä vakionopeudella, jonka ne varauksen kentältä alun perin saivat, kunnes ne saapuvat jonkin aineen rajapintaan luovuttaen sen atomeille energiansa tai heijastuen siitä edelleen.

Käsitykseni mukaan tämä eteneminen pitäisi tapahtua siis normaalin suhteellisuusperiaatteen mukaisesti. Jos nämä fotonit pääsevät vaikuttamaan kohtaamassaan atomissa, silloin ne käyttäytyvät taas aaltomaisesti ja niille pätee Maxwellin yhtälöiden mukainen käyttäytyminen.

Mikäli fotoni sitä vastoin heijastuu aineen rajapinnasta, silloin se käyttäytyy enemmän tai vähemmän hiukkasmaisesti. Välimuotojakin todennäköisesti esiintyy riippuen absorptioasteesta.

Näkemykseni saattaa olla hieman rohkea, mutta tällaiseen lopputulokseen olen sähkömagneettisen säteilyn osalta päätynyt. Säteilykvanttien energia ja muut ominaisuudet määräytyisivät tietysti Planckin vakioiden mukaisesti.

Edit1:
Syy miksi tähän päädyin löytyy sähkötekniikan perusteista. Sähkövuollahan on olemassa aina ns. lähde ja nielu. Eli se mistä sähkövuo alkaa ja minne se päättyy ja sähkökenttä määräytyy em. perusteella. Fotoneja kuvataan myös sähkökentällä ja sen kanssa ristissä olevan magneettikentällä. Kyseessä on siis vektorikentät, jotka edellyttävät vuon olemassaoloa. Missä ovat esim. fotonin sähkövuon lähde- ja nielu? Niitä ei voida osoittaa, joten johtopäätös on että ne jäävät kokonaisuudessaan fotonin sisäisiksi ominaisuuksiksi.

Edit2:
Sähkövarauksen värähtelytaajuus siirtyy kunkin emittoidun hiukkasen sisäiseksi värähtelytaajuudeksi. Eli makrotason ominaisuus siirtyy mikrotasolle jokaisen yksittäisen kvantin ominaisuudeksi. Näin toteutuu luonnossa niin monessa kohdin esiin tuleva ilmiö, että makrotason hajoaminen osikseen toteutuu mikrotasolla ja päinvastoin mikrotason ominaisuuksien yhdentyessä niistä tai niiden yhdistelmästä muodostuu makrotason ominaisuus.

Yksittäisen fotonin tiettyyn paikkaan päätymisen todennäköisyys vähenee kyllä etäisyyden neliössä. Toisaalta, jos energiaa käsiteltäisiin aaltona, on selvää että sen energia heikentyisi etäisyyden neliössä. Mitään muuta tapaa yhdistää nämä kaksi ominaisuutta ei voida käsitteellisesti osoittaa, kuin osiin jakautuminen. Kun näillä osilla ei voi kuitenkaan olla lähdettä ja niiden on kuitenkin todettu käyttäytyvän materian piirissä aaltoyhtälöiden mukaisesti, ei voi tulla muuhun johtopäätökseen kuin erillisiin kvantteihin tai kvanteista muodostuneisiin fotoneihin esim. emission yhteydessä.

Fotonit taas voivat jakautua erillisiksi lomittuneiksi osikseen, jotka toimivat kuitenkin yhteisen vuorovaikutuksen puitteissa. Fotoni on siis yksi kokonaisuus, jonka osien välillä ei voida osoittaa olevan ajallista viivettä.

Fotonit suinkaan eivät jakaudu, mutta se energiamäärä mikä muodostuu jakautuu fotoneiksi.
Emissoissa syntyvä energia on jo valmiiksi fotonimuodossa. Energiakvantteja muodostuu myös erillisten varausten värähtelyn seurauksena. Todennäköisyysaalto on vain matemaattinen formalismi ilmiön kuvaamiselle.

Todellisuudessa sähkömagneettinen energia muodostaa todellisia irrallisia fotoneita tai yksittäisiä kvantteja, joiden sisäiset aalto-ominaisuudet määräytyvät Planckin vakioiden puitteissa.

Nämä irralliset fotonit ovat riippumattomia niiden synnyttämän lähteen liiketilasta. Muutoin, jos kyseessä olisi pelkkä sähkömagneettinen aalto, sen täytyisi edetä väliaineessa (eetterissä, jonka MM-koe kumosi) tai vaihtoehtoisesti varauksen kentässä. Varauksen kenttä kuitenkin seuraa varausta, joten sekään vaihtoehto ei ole mahdollinen, koska silloin lähteen liike vaikuttaisi vastaavasti myös tehtyihin havaintoihin.

Muutkin asiat puoltavat tätä näkemystä. Vuohan on virtausta kuvaava ominaisuus ja tuo vuon virtaus (eteneminen) lähteestä kohti nielua tapahtuu nopeudella c. Jos tähän vuohon tulee häiriö, se edellyttäisi vuon etenemistä suuremmalla nopeudella kuin c lähteen koordinaatistossa, mikä ei ole mahdollista. Tästä syystä syntyy lähteen liikkeestä irtautuva erillinen sähkö- ja magneettivuon yhdistelmä, eli fotoni joka voi koostua yhdestä tai useammasta peruskvantista.

Seurauksena esittämästäni mallista olisi että lähteen suhteen liikkeelle lähteneet fotonit noudattavat kauniisti emitteriteorian mukaista käyttäytymistä sm-neutraaleina hiukkasina ja Lorenz-transformaatiota tarvitaan kuvaamaan vain atomien sisäistä toimintaa, mukaan lukien QED, sekä toistensa suhteen tasaisessa liikkeessä olevia sähköisesti varautuneita objekteja.

Tapahtumat voidaan kuvata 3D-ulottuvuudessa ilman arkijärjen vastaista ajan suhteellistamista. Periaatteessahan neljäs ulottuvuus on olemassa noiden fotonihiukkasten sisäisessä värähtelyssä. Alkuperäinen aalto ei voi kolmiulotteisessa tilassa edetä äärettömän etäälle lähteestään ilman että aaltorintaman leveys alittaa lyhimmän mahdollisen aallonpituuden, viimeistään tässä vaiheessa olisi pakko syntyä erilliset säteilykvantit.

Nämä hiukkaset eivät kuitenkaan reagoi (ainakaan merkittävästi) sähkö- tai magneettikenttiin, joten niiden etenemiseen ei vaikuta mikään ulkopuolinen voima (syy emitteriteorian puolustamisella). Ne reagoivat vasta aineen rajapinnan atomeissa vallitsevan vastaavantyyppisen kentän kanssa, aiheuttaen sen atomin ja/tai elektronien piirissä voimavaikutukset.

Myöskään muut sähköisesti neutraalit kappaleet, jotka eivät ole tai sisällä johteita, noudattavat emitteriteoriaa eli Galilei-transformaatiota. Näin Maxwellin yhtälöt ja Lorenz-transformaatio rajautuvat vain niille alueille, joiden piirissä sähkömagneettiset vuorovaikutukset pääsevät esiintymään.

tarkennan että vapaan kiihtyvä varauksen liike tietenkin aiheuttaa ympärilleen sähkömagneettisen aallon, jonka vaikutus heikkenee etäisyyden neliössä, sen jakautuessa isotroopisessa tapauksessa laajenevalle pallopinnalle.

Tämä heikkenevä aalto voidaan sitten havaita minimissään Planckin vakioiden mukaisena vaikutuksena esim. varauksen liikkeenä mittalaitteessa. Tätä heikommat kenttämuutokset eivät ole enää mitattavissa olevia. Näin ollen normaalia sm-aallon voidaan ajatella myös koostuvan hiukkasista.

Kun tarkastellaan atomeja ja niiden emittoimaa säteilyä, tilanne on toinen. Tämä näkyy jo siinä, että atomien elektronit eivät säteile ulospäin vaikka ne ovat kiihtyvässä liikkeessä ja toisaalta siinä, että atomin emittoiman fotonin energia säilyy muuttumattomana pitkilläkin etäisyyksillä. Nämä ovat alussa esille ottamiani kavntittuneita hiukkasia, jotka eivät reagoi juurikaan sm-kentän vaikutukseen.

Periaatteessa niin, että mitä vähemmän materiaalissa on ns. vapaita elektroneja, sitä heikommin se suhteellisesti ottaen reagoi sähkömagneettisiin kenttiin. Kaikki materiaalit varmasti reagoivat jossain määrin, jos valtaosa massasta on kuitenkin sähkömagneettisesti neutraalia, siihen kohdistuvat induktiiviset voimavaikutukset ovat heikkoja. Ja magneettikentän vaikutus / induktiohan se nyt kuitenkin on, mikä Maxwellin yhtälöissä ja Lorenz-kontraktiossa tulee otetuksi huomioon.

Myönnän sen verran, että sähkömagneettisen kentän muodossa kahden liikkuvan järjestelmän piirissä Lorenz-muunnokset ovat myös voimassa. Jos tuossa liikkuvassa järjestelmässä olevat kappaleet ovat kuitenkin sähköisesti neutraaleja, niin vaikutukset noudattavatkin silloin Galilei-transformaatiota. Atomin sisällä muutokset ovat sitä vastoin aina sähkömagneettisia ja toimivat siis QED:n puitteissa.

Onko erottelu sitten järjenvastaista, niin siitä voidaan olla montaa mieltä.
Ei se ainakaan niin arkijärjen vastaista ole kuin sen yleisemmän oletuksen seuraukset.

Tässä voisi ottaa esille ehkä vähän naivin, mutta periaatteellisen esimerkin.
Kuvitellaan, että liikkeessä olevassa henkiöjunassa pompotellaan palloa -> Galilei-transformaatio.
Tai sitten palloa pompotellaankin tavarajunassa, jolloin ympäristöstä aiheutuva ilmavirta "vastaa" magneettikenttää, jotta fysiikan lait saadaan samoiksi eri järjestelmissä tarvitaan vastavoima -> Lorenz-transformaatio. Todellisessa maailmassahan junissa vetää aina enemmän tai vähemmän, eli vastaavasti kappaleet ovat enemmän tai vähemmän sähköisesti neutraaleja.

Tarkoitus on osoittaa miksi energia etenee kvantittuneessa muodossa, Maxwellin aaltoyhtälöt ennustavat säteilyn syntymisen, mutta ei ota kantaa missä muodossa se etenee. Kolmiulotteinen laajeneminen muoto säilyttäen ei voi olla mahdollista, joten tapahtuu pirstoutuminen. Toisaalta vuon muutos ei voi missään tapauksessa edetä lähteen suhteen suuremmalla nopeudella kuin c, joten vuo rikkoutuu varauksen kiihdytyksessä.
Sähkö ja magneettikenttä saavat yhteisen uuden muodon, joka on sähkömagneettiseti värähtelevä fotoni.

Maxwellin yhtälöt kertovat, että valo etenee sähkömagneettisena aaltona valon nopeudella. Se ei kerro mitään siitä minkä suhteen eikä miksi nopeus on se mikä on, eikä ota kantaa sen olomuotoon. Esitykseni mukaan nopeus on hiukkasena c lähteen suhteen, koska se saa alkunopeutensa lähteen kentältä. Tämän jälkeen se etenee saamallaan alkunopeudella sen mukaiseen suuntaan. Myöskin sen sisäiset kenttävuorovaikutukset etenevät nopeudella c. Se kvantittuminen on suora seuraus siitä, että kun sen sisäinen nopeus täytyy olla c, niin se ei voi edetä aaltona koska siinä aallossa se nopeus pitäisi nousta yli c:n lähteen koordinaatistossa, se joutuu rakentamaan oman sisäisen olomuotonsa (koordinaatistonsa), jossa se voi edelleen vaihdella kenttiään samalla nopeudella. Sen eteneminen ei siis liity mitenkään sen sisäiseen energiaan / kenttävaihteluihin, se on harhaa.

Kun se saa alkunopeutensa lähteen kentältä, siihen ei käytännössä sm-neutraalina hiukkasena vaikuta mikään ulkopuolinen voimavaikutus, se jatkaa etenemistään suoraviivaisesti kunnes kohtaa jossain aineen rajapinnan.

Tottakai lähestymistapaani vaikuttaa se mitä tiedän entuudestaan (joskin käsitykseni on ollut virheellinen) fotonin luonteesta. Olen pitänyt sitä tavallaan yhtäaikaa laajalle levinneenä aaltona ja kuitenkin toisaalta hiukkasena. Nyt ymmärrän, että tuo kentän pirstoutuminen / kvantittuminen aiheuttaa sen, että se hiukkanen itsessään on värähtelevä aaltopaketti. Sen nopeus ei vain ole kaikkien havaitsijoiden kannalta c hiukkasmuodossaan, emissiossa nopeus on c lähteen suhteen. Fotonin sisäinen energia kyllä siirtyy nopeudella c rajapinnan atomeille. Tästä on tullut se virheellinen käsitys, että aika on suhteellista.

Fotonille on muodostunut oma sisäinen järjestelmänsä, jossa kenttien vuorovaikutusnopeus on c. Vähän sama juttu, kun laserilla ammutaan ylös peiliin ja valo palaa peilistä
takaisin. Ei tarvita mitään kaikkivaltiaan c:n oletusta, kun ne hiukkaset ovat ulkoisesti sm-neutraaleja.

Tällä tavoin ne voivat aivan hyvin ko. tapauksessa noudattaa Galilei-transformaatiota.
Periaatteessa lasersäde menisi muuten liikkuvan järjestelmän tapauksessa ohi, kun säde voisi edetä vain nopeudella c pidemmän matkan. Tiedän kyllä, että tämä voidaan kiertää epäloogisella teorialla, mutta mielestäni oma näkemykseni on selkeämpi.

Olisin kiinnostunut tietämään mitkä ovat ne lukuisat kokeet, joissa valo nopeuden invarianssi on osoitettu.
MM-koe ei kelpaa, koska se ei todentanut invarianssia vaan sen että eetteriä ei ole olemassa. MM-koe ei ainakaan sulje pois sitä mahdollisuutta, että valon nopeus olisi c suhteessa lähteeseen.

Emitteriteoria ei aikoinaan saanut hyväksyntää, koska silloin ei tunnettu kvanttifysikaalisia ominaisuuksia sähkömagneettisille ilmiöille. Lorenz-kotraktio pätee edelleen niissä ilmiöissä, jotka liittyvät magneettikentän vaikutukseen kahden liikkuvan järjestelmän välillä ja atomin sisäisessä järjestelmässä, jossa juuri muuta ei olekkaan kuin sähkömagneettista kanssakäymistä.

Galilei-transformaatio on täysin käsitettävissä oleva verrattuna suppean suhteellisuusteorian mukaiseen ajan- ja paikan suhteellistamiseen nähden. Sitä paitsi fotonilla ei ole varausta, joten tuskin se pahemmin piiittaa sähkömagneettisten kenttien vaikutuksesta. Jos se fotoni siis käsitetään sm-neutraaliksi hiukkaseksi, niin mikään muu kuin erikoinen suhteellisuusteoria ei edellytä siltä Galilei-transformaatiosta poikkeavaa käytöstä.

a) Eikös valkoinen valo sisällä kaikkia eri valon pituuksia, toisaalta kaasut absorboivat ja emittoivat fotoneja uudelleen, joten niiden aallonpituuksien kanssa on vähän niin ja näin.
b) Emitteriteorian puitteissa ei voi edes syntyä kausaliteettiongelmia, näköharhoja kyllä. Tarvittaisiin äärettömän ylittäviä suhteellisia nopeuksia. Myöskään aikamatkustus ei olisi edes teoriassa mahdollista, toisin kuin suhtiksessa.

Näistä Ives-Stillwell kokeista haluaisin lisää tietoa, samoin joku Alvagär (jos nyt muistan oikein). Pitäisi päästä analysoimaan niitä itse, epäilys on että jos analysointia tehdään ns. tietyllä ennakkoasenteella niin tulosten tulkinta voi eksyä harhateille. Tämän osoittaa jo MM-kokeen tulkinta, jota jopa jotkut polpulääriteoksia tuottavat henkilöt pitävät edelleen valideina argumentteina suhteellisuusteorian puolesta.

Kommentit (0)

Uusimmat

Suosituimmat