'Lysets år' sætter spot på fotonen

2015 er af FN udpeget som Lysets år, og derfor kommer en både letforståelig og besynderlig størrelse i fokus: fotonen.

Knyttet til det elektromagnetiske felt i det tomme rum er den forholdsvis enkel at forstå, men som sådan er den en abstraktion.

I den virkelige verden er fotonen uløseligt forbundet til sin vekselvirkning med atomer; det er sådan den fødes og dør, det er sådan vi observerer den, og det er udelukkende på den måde, vi kan afdække dens egenskaber.

Om alt dette har professor emeritus ved Aalborg Universitet Ole Keller – der gennem et langt forskningsliv har studeret fotonen mere indgående end de fleste – sidste år skrevet bogen ‘Light – The Physics of the Photon’.

Newton forestillede sig lyset opbygget af partikler kaldet korpuskler. Huygens beskrev lyset som bølger.

I dag ved vi, at kvantemekanikken ikke gør det muligt at sige, om noget enten er partikler eller bølger. Det er både og. Men på hvilken måde?

Titlen på Ole Kellers bog antyder, at her får vi svaret på, hvad en foton er. Men nej.

»For hvem kan sige, hvad en partikel eller for den sags skyld et menneske er,« siger Ole Keller, da Ingeniøren møder ham i hjemmet i Aalborg.

»Vi kan sige, hvad der karakteriserer en foton, ikke hvad den er,« fortsætter han.

I bogen har han sat sig for på et sikkert fysisk og matematisk grundlag at klarlægge fotonens karakteristika.

Det er en fortælling, som uden tvivl vil overraske de fleste, der ellers mener at vide, hvad fotonen er for en størrelse.

Det er dog næppe en bog, der får mange læsere, for det er både i fysisk og matematisk betydning en tung bog på næsten 500 sider.

Hvor fødes fotonen mon?

Ole Keller er uddannet som civil­ingeniør og licentiat fra DTU. Hans interesse for lysets fundamentale egenskaber opstod i 1980’erne.

»Jeg havde bl.a. studeret, hvordan to atomer vekselvirker via lys i form af overfladebølger, da det gik op for mig, at der var en lang række helt fundamentale spørgsmål knyttet til lys og fotoner, der var ubesvarede,« fortæller han.

På en konference stillede han en række af sine kolleger et simpelt spørgsmål: Når fotonen opstår i forbindelse med, at en elektron springer fra en elektronskal til en anden tættere på kernen, hvor fødes så denne foton?

»Jeg spurgte helt konkret, sker det i midten, eller er det monstro i højre eller venstre side af atomet.«

Det havde de færreste tænkt over, og ingen kunne give et tilfredsstillende svar.

Når en elektron springer fra en skal til en anden, kan man lidt forenklet betragte det som en strøm, der bevæger sig inde i atomet.

Det er samme situation, der findes i en antenne, hvorfra der udsendes elektromagnetiske bølger. Det vil derfor være naturligt at formode, at fotonen i hvert fald opstår inden for et område afgrænset af atomet, dvs. typisk inden for en radius på 0,1-1 nanometer.

Men det er forkert!

Det er ikke den direkte strømtæthed, som i Maxwell-ligningerne betegnes med J, men derimod dens transversale komponent JT, der bestemmer fødeområdet. Og JT er forskellig fra nul i et meget større område end selve atomet.

Det er umuligt at sige præcis, hvor en enkelt foton fødes – man kan kun sige noget om, hvad sandsynligheden er for, at begivenheden indtræffer inden for et forholdsvist stort område.

På samme vis kan en foton afgå ved døden og overgive sin energi til atomet et sted, som er langt uden for atomets fysiske afgrænsning.

Når der er set eksperimenter, der tilsyneladende har vist tegn på overlyshastighed, så er det, fordi de har overset, at fotonens fødested og dødssted ikke er veldefineret, forklarer Ole Keller.

For man ikke kan beregne en hastighed, når man ikke kender den afstand, over hvilken fotonen skulle have bevæget sig fra sin fødsel til sin død.

Fra uvidenhed til ekspert på ti år

»Efter jeg havde stillet mit spørgsmål om fotonens fødested, gik jeg i løbet af de efterfølgende ti år fra, at jeg selv syntes, at jeg ikke vidste noget, til jeg blev anset som ekspert,« siger Ole Keller, der er en efterspurgt foredragsholder ved internationale konferencer.

I sin søgen efter fotonens karakteristika gør Ole Keller brug af to forskellige værktøjer: intuition og matematik.

»Man kan gøre fremskridt via intuition, men det er matematikken, der i sidste ende afgør, hvad der er rigtigt eller forkert,« siger han.

I 1905 viste Einstein, at energien i lys kom i klumper eller bølgepakker af en størrelse på h x f, hvor h er Plancks konstant og f er frekvensen. Disse klumper fik senere navnet fotoner.

Fotonen er altså karakteriseret ved en enkelt frekvens, den er med andre ord monokromatisk. Men nej, siger Ole Keller: »Fotonen er polykromatisk.«

Han refererer igen til, at fotonen først bliver til et fænomen, når den dannes ved en atomovergang, hvor en elektron springer fra en tilstand til en anden. På et tidspunkt er elektronen med fuld sikkerhed i en tilstand med høj energi, på et senere tidspunkt er den med fuld sikkerhed i en tilstand med en lavere energi.

Først har vi ingen foton, et vist tidsrum senere har vi med fuld garanti en foton. Sammenhæng mellem tid og frekvens er givet ved en Fourier-transformation, og det endelige tidsinterval, der karakteriserer henfaldet af elektronen, leder direkte til, at fotonen ikke kan være karakteriseret af en enkelt frekvens, som man normalt lærer.

Ole Keller er ikke den første til at sige, at fotonen er polykromatisk, men han er den første til at lave en sammenhængende teori herfor.

Men hvad har vi i intervallet, hvor vi ikke ved, om elektronen er i den ene eller anden kvantetilstand?

»Vi har et fotonfoster,« forklarer Ole Keller.

Det er ikke bare et smart ord, som Ole Keller har opfundet. Det kan beskrives helt præcist, hvad man skal forstå ved fotonens fostertilstand, som han bruger et større kapitel i bogen på at beskrive.

Fotoner og relativitetsteori

Ole Keller samler i sin bog et teoretisk grundlag udviklet af ham selv og mange andre forskere over længere tid. På et enkelt område er forståelsen dog ikke kommet i mål.

Einsteins specielle relativitetsteori fra 1905 forklarede, hvordan iagttagere i to forskellige inertialsystemer, dvs. systemer i hvile eller jævn bevægelse, kunne være uenige om eksempelvis samtidighed, men altid var enige om, at hvis en iagttager i et inertialsystem så to fotoner, ville en iagttager i et andet inertialsystem også se to fotoner.

Men et inertialsystem er ligesom en elektromagnetisk bølge i vakuum en abstraktion, der ikke findes i virkeligheden. Jorden er i en bane om Solen, solsystemet roterer rundt om Mælkevejens centrum osv. Alt i universet foregår under en eller anden form for accelereret bevægelse.

Einstein løste selv problemet med begrænsningerne for den specielle relativitetsteori med sin generelle relativitetsteori, som han publicerede i 1916.

»I den generelle relativitetsteori vil to iagttagere ikke blot være uenige om samtidighed, de vil også kunne være uenige om antallet af fotoner, der er til stede,« forklarer Ole Keller og tilføjer: »Det giver jo ingen mening. Her er et uafklaret problem.«

Mange fysikere forsøger at forene den generelle relativitetsteori med kvantemekanikken. En sådan samlet teori skal også løse problemet med det forskellige antal fotoner. Det vil være et af de forhold, som Ole Keller vil bruge til at bedømme en forenet teori på.

Ole Keller har nu brugt en menneskealder på at forstå fotonens inderste væsen. Færdig er han dog ikke, for som han siger:

»Fotonen er som en gammel bekendt, man stadig kan opdage nye sider af.«

Hvad den er, finder vi dog aldrig ud af.

Ole Keller: ‘Light – The Physics of the Photon’. CRC Press, Taylor & Francis Group. 462 sider.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Stor ros til Ramskov for denne fantastiske fortælling om lys. Jeg får helt lyst til at købe denne bog af Ole Keller, der har fløjet under min radar, selvom jeg kan se at Ramskov omtaler ham med emnet allerede i 2001.

  • 8
  • 0

Hvis 2015 er lysets år, er det også danskernes år. Vi har markeret os stærkt når det angår lys, det var ikke kun PH der ku. - Ole Rømer der kunne beregne lysets tøven. - Lene Haug, der fik lyset til at tøve yderligere, ja helt stoppe. - Salget af dansk udviklede lys-chips til Intel. - Udvikling af mikro pincetter baseret på laser lys. - Rekord i pakning af information på en laser - Ole Kellers fantastiske analyser af lyset.

Der er sikkert flere...

  • 3
  • 0

Fotonen er altså karakteriseret ved en enkelt frekvens, den er med andre ord monokromatisk. Men nej, siger Ole Keller: »Fotonen er polykromatisk.«

Vi har tidligere diskuteret dette aspekt meget her på ing.dk - og Carsten Kanstrup har haft mange spydige kommentarer til kvanteteorien, og fotonens veldefinerede monokromatiske frekvens, helt præcist defineret ved energien.

Håber, at vi nu har et svar: Fotonen er polykromatisk, og ikke monokromatisk.

Den har ikke en veldefineret bølgelængde, selvom den har veldefineret kvanticeret energi.

Vores kendskab til præcisionen af fotonen, skyldes netop dens polykromatisme (når vi kender præcisionen eksakt).

Og vores mangel til kendskab, skyldes den er monokromatisk.

Bruger vi monokromatiske fotoner, ved vi ikke hvor de er.

  • 1
  • 2

Hvis vi kunne få en detaljeret redegørelse for hvordan fiber optic gyro virker mht. fotonmodellen. Især forklaringen om hvordan afstanden A->B er forskellig fra B->A i samme medie. (Afstanden er selvfølgelig den samme, men hvis c skal være konstant jfr. den gængse teori, må det nødvendigvis være afstanden der ændrer sig). Hvis man ikke ved hvordan fiber optic gyro virker, så undlad venligst at kommentere.

  • 3
  • 1

Især forklaringen om hvordan afstanden A->B er forskellig fra B->A i samme medie

Der gælder ikke den sædvanlige fysik, i et legme der roterer - dette er også årsagen til, at vi oplever en centrifugalkraft. Vi kan ikke umiddelbart se, at lysets hastighed ikke er den samme. Men, vi kan føle kraften som det medfører. Små ændringer i lysets hastighed medfører kræfter. Tyngdekraften skyldes også lyset har en anden hastighed. Vi føler en ændring i lysets hastighed som kraft.

  • 1
  • 2

og Carsten Kanstrup har haft mange spydige kommentarer til kvanteteorien, og fotonens veldefinerede monokromatiske frekvens, helt præcist defineret ved energien.

Håber, at vi nu har et svar: Fotonen er polykromatisk, og ikke monokromatisk.

Ja, jeg har fremført bl.a. bredbåndsproblemet (fourieropløsning af en stepfunktion) mange gange; men sammen med mine andre fotondilemmaer er min konklusion, at fotonen formodentlig ikke eksisterer, og den er heller ikke nødvendig ud fra ætermodellen. Kunne du eller Ole Keller ikke forklare mig, hvordan noget fysisk objekt skulle kunne have egenskaber som uendelig mange frekvenser på én gang og kunne befinde sig mange forskellige steder på samme tid?

Ak ja, bare man kalder det kvantemekanik, så er selv de mest rablende vanvittige forklaringer tilsyneladende tilladt. Kraftudveksling med virtuelle partikler i strid med energibevarelsessætningen, partikel-bølge dualitet, bølgefunktionskollaps, krummende rum og rumtid etc. etc. Er selv den mindste smule logisk tænkning og sund fornuft da totalt bandlyst inden for moderne fysik?

  • 0
  • 2

Du kan downloade Kellers bog her:

Det er en piratkopi fra præstestyret i Iran. Der er tale om ulovligheder.

Kellers bog indeholder tungt matematisk stof og forudsætter indgående kendskab til tensoranalyse. Den er bestemt ikke for novicer.

En mere letlæselig og traditionel, med stadig professionel bog, er Kenyon's "The Light Fantastic - A Modern Introduction to Classical and Quantum Optics" fra Oxford Univercity Press 2008.

  • 2
  • 0

--- Uniton-teorien --- I undertegnedes ”Uniton-model” er Uniton betegnelsen for Universets mindste og mest fundamentale stof-/energi kvantum, som alt er opbygget af, herunder fotoner, elektromagnetiske felter, gravitationsfelter og andre såkaldte felter.

--- Det Kosmiske ’hav’ af Unitoner --- Unitonerne er til stede overalt i Universet, også i områder der kaldes eller menes at være såkaldt vakuum (dvs. et stoffrit område). Et naturligt absolut vakuum uden stof og felter eksisterer ikke! F.eks. er der stadig uhyre mange Unitoner tilstede i LHC-acceleratoren i CERN. Også selv om accelerator-røret er pumpet så stofpartikel-tomt som muligt.

--- Postulat i Uniton-teorien: Alt stof og alle såkaldte felter er opbygget af Unitoner. Og alle kraftvirkninger er vekselvirkninger mellem Uniton-kondensater og Unitonerne i det kosmiske Uniton-hav. Såkaldte Elementarpartikler er Uniton-kondensater (Uniton-klynger). F.eks. er Elektroner, Protoner, Neutroner. Fotoner består af svingende klynger af Unitoner, Uniton-klynger, der udbreder sig gennem det kosmiske Uniton-hav.

-- Felter er svingningsudbredelser i det kosmiske Uniton-hav -- Det kosmiske Uniton-hav er det stoflige medium, hvorigennem alle såkaldte kraftfelter udbreder sig. Dette gælder bl.a. elektromagnetiske felter, herunder fotoner (lys) og gravitationsfelter. Fotoner er, som nævnt, udbredelse af svingende Uniton-kvanter. Svarende til lyd-kvanterne der kaldes Fononer.

--- Kraftvirkninger forårsages af ubalancer, overtryk og undertryk --- Hvis partikler ’skygger’ for hinanden og de allesteds eksisterende kosmiske Unitoner, ja, så er det unitonernes resulterende sammenstødskræfter, der afgør, om det er en såkaldt ’tiltrækkende’ kraft eller en frastødende kraft, der virker.

I øvrigt: --- Postulat om Entanglement-effekten: Sammenfiltringen og kontakten mellem f.eks. fotoner eller elektroner, der befinder sig på forskellige steder, ja, selv meget langt fra hinanden, etableres ved kraftvirkninger mellem Unitoner i det kosmiske Uniton-hav.

--- Sammenpresning af Unitoner --- Hvordan dannes elementar-partikler, når f.eks. hurtige protoner kolliderer? Som det er tilfældet i LHC i CERN. Ifølge Uniton-teorien er de dannede elementar-partikler forskellige typer af sammenpresninger af de unitoner som protonerne består af og de tilstedeværende kosmiske unitoner. Desto højere kinetisk energi protonerne kolliderer med, desto ’større’ og tungere partikler, Uniton-kondensater, kan der dannes. Ustabile elementarpartikler er Uniton-kondensater, der mere eller mindre hurtigt omdannes til mere stabile Uniton-kondensater.

--- Higgs-partiklen --- Hvis den såkaldte ’Higgs-partikel’ er et muligt Uniton-kondensat, ja, så kan den fremstilles, hvis sammenpresnings-energien er tilstrækkelig stor og sammenstødet mellem f.eks. protoner er optimalt.

--- Sort-hul-partikler --- Hvis Unitonerne i f.eks. protoner kan presses ned under Schwarzschild-radius, ja, så vil der også kunne dannes mikroskopiske ’Sort-hul-partikler’. Disse vil dog (sandsynligvis) ’fordampe’ og nedbrydes til mindre tætte Uniton-kondensater. I overensstemmelse med Entropi-loven.

Studér mere om bl.a. Unitoner på:

http://louis.rostra.dk

Hilsen fra Louis Nielsen

  • 0
  • 0

Ja, jeg har fremført bl.a. bredbåndsproblemet (fourieropløsning af en stepfunktion) mange gange; men sammen med mine andre fotondilemmaer er min konklusion, at fotonen formodentlig ikke eksisterer, og den er heller ikke nødvendig ud fra ætermodellen. Kunne du eller Ole Keller ikke forklare mig, hvordan noget fysisk objekt skulle kunne have egenskaber som uendelig mange frekvenser på én gang og kunne befinde sig mange forskellige steder på samme tid?

Eller du kan selv.

Kunne du eller Ole Keller ikke forklare mig, hvordan noget fysisk objekt skulle kunne have egenskaber som uendelig mange frekvenser på én gang

Et fysisk objekt med frekvenser, er en bølge. Enhver bølge, der er afgrænset har uendelig mange frekvenser på en gang. Skal du stille et godt spørgsmål, vil det være det omvendte: Hvordan kan et fysisk objekt, have netop en frekvens, uden at objektet har eksisteret før big-bang?

Et fysisk objekt som en bølge, er netop ikke afgrænset i størrelse, hvis dets frekvens er veldefineret - med mindre, det er mellem to ideelt reflekterende spejle. Også her spreder lyset sig, og der er normalt tab, så det er svært at anbringe fotonen i en kasse.

Forestil dig, at du tænder en lampe med en lyseffekt på 1W i en tid på 1 sekund. Herved udsendes en lyseffekt på 1 joule. Bortset fra, at energien er mindre, så er der ingen forskel mellem den bølge der udsendes her og en foton. Fotonen udbreder sig i rummet, på samme måde som lyset fra lampen. Og den bliver større, fordi at du vil finde lyset, i et større rum. Måske sender lampen veldefineret rødt lys ud i et sekund. I så fald, så er lyset meget monokromatisk. Men da lyset kun er tændt et sekund, så medfører det at det ikke er helt monokromatisk. En foton har ikke en bestemt farve. Den kan nemt indeholde mange farver - og reelt er alle fotoner polykromatiske, da de ikke har eksisteret evigt - fra før big bang. Hvis vi skal finde en ren monokromatisk, skal den findes i verdensrummet.

Selvom fotonen har et veldefineret energikvant, så er den reelt en kompliceret bølge i 3 dimensioner, bare med veldefineret energi. Og den ændrer sig med tiden, afhængigt af forsøgsopstillingens konfiguration.

  • 0
  • 2

Nu har jeg bestilt bogen hos Amazom uk, let brugt.

De havde ikke anskaffet den på det der engang hed ub2.

Jeg tilhører ikke bogens primære højfaglige målgruppe, men alligevel har jeg lyst til at eje den. Jeg opfatter den som en frugt af vores kultur, som jeg finder yderst agtværdig og lidt skal jeg nu nok kunne få ud af den.

  • 0
  • 0

Et fysisk objekt med frekvenser, er en bølge.

Sikke noget vrøvl. En bølgebevægelse opstår ved impulsudveksling mellem mange partikler. Hvis du kun har én partikel, kan du aldrig skabe en bølge. Du kan få partiklen til at svinge på flere frekvenser på samme tid, men ikke uendelig mange, og jeg kan heller ikke se, hvordan den skulle kunne befinde sig flere steder på samme tid.

  • 0
  • 1

I den virkelige verden er fotonen uløseligt forbundet til sin vekselvirkning med atomer; det er sådan den fødes og dør, det er sådan vi observerer den, og det er udelukkende på den måde, vi kan afdække dens egenskaber.

Det er min egen skepsis mod fotonen som en selvstændig partikel. Det er kun når lyset (elektromagnetiske bølger) interagerer med fast stof vi ser en effekt, som vi så kalder en foton, eller når fast stof udsender bølger. Selve kvantiseringen af energi har hjulpet meget til forståelsen af megen fysik, men derfra og til at kalde alt lys fotoner er der et langt spring. Spørgsmålet om hvor fotonen dannes eller forsvinder er rigtig godt.

  • 0
  • 0

Sikke noget vrøvl. En bølgebevægelse opstår ved impulsudveksling mellem mange partikler. Hvis du kun har én partikel, kan du aldrig skabe en bølge. Du kan få partiklen til at svinge på flere frekvenser på samme tid, men ikke uendelig mange, og jeg kan heller ikke se, hvordan den skulle kunne befinde sig flere steder på samme tid.

Definition af en bølge er ren matematik. Det kan ikke defineres som impulsudveksling, eller noget andet fysisk. Måske, er det du får ved impulsudveksling noget som ligner en bølge. Men, det er ikke definitionen.

En enkelt foton kan fint have en meget veldefineret frekvens, og være en bølge. Ønsker du viden om frekvensen, skal bruges tid til at detektere den, og du mister viden om position. Mange eksperimenter indenfor kvanteoptik, er med fotoner der har meget veldefineret frekvens. Naturligvis er lidt usikkerhed, og frekvensen er ikke helt veldefineret. Men rækkeviden af bølgen, kan være flere kilometer.

En foton med partikel egenskaber, hvor du kender den præcise position, vil være bredspektret. En foton, med bølgeegenskaber, er smalspektret. Og den fylder i rummet, hvilket betyder at positionen er svær at definere. Den kan kun defineres ud fra sandsynligheden for at opdage den.

Her begynder så det sjove: Kan vi, hvis vi opdager fotonen i starten af dens udstrækning, så måle dens frekvens? Eller, måler vi en frekvens, der har større usikkerhed, end fotonens faktiske frekvens? Vil vores måleudstyr, når vi måler på den, kende fotonens "fremtid", så den spår om den præcise frekvens?

Jeg tror, at fotonens bølger ofte vekselvirker med de forrige og efterfølgende fotoners bølger, og at hvis fotonerne kommer i en konstant strøm, så vil de foregående og efterfølgende fotoner påvirke vores måling. Vi kan endog ikke sige noget om, hvilken foton som vi måler. Det er derfor ikke fotonens fremtid, som vi har målt på - vi har målt over fotonens bølge en periode, og opsamler tilstrækkelige bølger til, at returnere fotonens "farve", men naturligvis ikke dens postion, da det er detekteret over en periode. Vi kan end ikke sige, om vores måling kommer fra kun en foton, eller om det er to på hinanden følgende fotoner, der har vekselvirket med hinanden.

Når vi laver en strøm af fotoner, så kan det f.eks. ske ved, at en lysstråle svækkes, således intensiteten bliver tilstrækkelig lav. Desto mere perfekt, at vores fotoner er (konstant frekvens mv.), desto større er udstrækningen. Og desto svagere skal intensiteten opnås, før at fotonerne ankommer enkeltvis, og ikke går ind i hinanden. Selvom vi gør intensiteten meget svag, så behøver vi ikke at kende positionen af fotonen, og det kan diskuteres, om det er reelt at tale om fotonen har en position.

  • 0
  • 1
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten