Fotoninen eteneminen poispäin maailmankaikkeudessa

[jussi_k_kojootti]

Valo hidastuu, fotoni ei. Valo etenee väliaineessa niin että yksittäiset fotonit etenevät atomilta toiselle, viettävät hetken aikaa esim. elektronikehän viritystilojen pyörteissä ja taas jatkavat seuraavan atomin luo, pikkuriikkisen kuin mehiläiset kukkakedolla. Fotonilta kestää väliaineen läpäiseminen tällä tavoin selkeästi kauemmin kuin jos sama matka olisi tyhjiötä. Silloin kun fotoni etenee, se etenee täysillä. Onko väliaineen läpi päässyt fotoni edes sama joka matkan aloitti, voidaan tietenkin kysyä.

Uskomattoman vaikea saada pelkän googlen avulla varmaa vastausta "yksinkertaiseen" kysymykseen:  tapahtuuko tavallisen ikkunalasin ja sen läpi kulkevan fotonivuon vuorovaikutuksessa stimuloitu emissio?  Eli että yksi fotoni virittää elektronin, ja toisen fotonin sm-kenttä purkaa virityksen, lopputuloksena kaksi fotonia joista molemmilla jälkimmäisen taajuus, vaihe, suunta ja polarisaatio?

[Kaizu]

Feynmanin QED käsittelee tätä aihetta. Siinä tosin ongelmana eivät ole lasilevyn läpi menevät fotonit vaan ne muutama prosentti jotka tietävät olla menemättä läpi ja heijastuvat pois. Osittaisheijastuma vaati erikoisen oloisia selityksiä.

Kaizu

[Lauri Kangas]

Uskomattoman vaikea saada pelkän googlen avulla varmaa vastausta "yksinkertaiseen" kysymykseen:  tapahtuuko tavallisen ikkunalasin ja sen läpi kulkevan fotonivuon vuorovaikutuksessa stimuloitu emissio?  Eli että yksi fotoni virittää elektronin, ja toisen fotonin sm-kenttä purkaa virityksen, lopputuloksena kaksi fotonia joista molemmilla jälkimmäisen taajuus, vaihe, suunta ja polarisaatio?

Kyllä stimuloituakin emissiota varmasti tapahtuu, mutta todella vähän. Enemmän tapahtuu normaalia absorptiota jota seuraa spontaani emissio. Jotta stimuloitua emissiota tapahtuisi merkittävissä määrin, vaaditaan populaatioinversio eli tilanne jossa todella monella atomilla olisi elektroneja siellä ylemmillä energiatiloilla ja alemmat tilat vapaana.

Tällainen tilanne on yleensä epästabiili koska jos siellä ylemmillä tiloilla on sakkia ja alemmat on vapaana, lahoaa se tilanne yleensä kasaan spontaanin emission muodossa. Laserit toimivat niin, että ensin populaatioinversio aikaansaadaan ja ylläpidetään jollain pumppauskonstilla ja sitten odotetaan, että atomit alkavat laseroida keskenään. Sitten aletaan päästää vähän sitä valoa uloskin.

[jussi_k_kojootti]

Kyllä stimuloituakin emissiota varmasti tapahtuu, mutta todella vähän. Enemmän tapahtuu normaalia absorptiota jota seuraa spontaani emissio. Jotta stimuloitua emissiota tapahtuisi merkittävissä määrin, vaaditaan populaatioinversio eli tilanne jossa todella monella atomilla olisi elektroneja siellä ylemmillä energiatiloilla ja alemmat tilat vapaana.

Spontaani emissio yhdistettynä tuohon Kaizun esille tuomaan valonhitauden selitykseen (jonka kyllä sinällään nielen mukisematta) on ongelmallista, koska spontaanisti emittoidun kvantin suunta on mielivaltainen.  Eli lyhyesti sanottuna ikkunasta ei pitäisi näkyä läpi, tai ainakaan kuvan ei pitäisi vastata niin hyvin sitä minkä uskon ikkunan ulkopuolella olevan :-)  Tästä syystä tietenkin kysymykseni esitinkin.

Populaatioinversio on välttämätön laserin toiminnalle (sille LA:lle eli light amplification), mutta ei stimuloidulle emissiolle itselleen.  Kiitos kuitenkin kun nostit sen esiin, tuon vastaväittämän tarkistaakseni kävin wikipediassa ja populaatioinversio-artikkelin stimuloituemissio-osuushan oli parempi kuin itse stimuloituemissio-artikkeli!

http://en.wikipedia.org/wiki/Population_inversion#Stimulated_emission

The base probability of a photon causing stimulated emission in a single excited atom was shown by Albert Einstein to be exactly equal to the probability of a photon being absorbed by an atom in the ground state. Therefore, when the numbers of atoms in the ground and excited states are equal, the rate of stimulated emission is equal to the rate of absorption for a given radiation density.

ja

If the populations of the two states are the same (N1 = N2), the rate of absorption of light exactly balances the rate of emission; the medium is then said to be optically transparent.

Noilla perustein siis, ja lisäksi sillä perusteella että miksi sitä EI tapahtuisi ts. mikä sen estäisi, vaikuttaisi siltä että lasissa todella tapahtuu stimuloitua emissiota, ja että sillä on merkittävä rooli lasin läpinäkyvyyden selittämisessä (QED-kuvassa)?  Tätä täytyy nyt kuitenkin vielä pohtia ja tutkia, ja jatkokysymyksetkin piinaa jo ... miksi ja miten joillakin aineilla N1 = N2, eli periaatteessa perustila ei olekaan (ainoa) perustila?  Jos lasia kohti lähetetään yksi fotoni sekunnissa, niin kuinka usein lasin toisella puolen oleva valodetektori kilahtaa?  Ja ei kai meidän vessassa vain väijy peili jonka lasi muuttuu yön pimeydessä läpinäkymättömäksi!?  

edit: huonoa kielenkäyttöä vedetty yli.  käyn lainaamassa qed:n kirjastosta, kun oma on vieläkin mökillä ... 

[vesku55v]

Lainaus:Valo hidastuu, fotoni ei. Valo etenee väliaineessa niin että yksittäiset fotonit etenevät atomilta toiselle, viettävät hetken aikaa esim. elektronikehän viritystilojen pyörteissä ja taas jatkavat seuraavan atomin luo, pikkuriikkisen kuin mehiläiset kukkakedolla. Fotonilta kestää väliaineen läpäiseminen tällä tavoin selkeästi kauemmin kuin jos sama matka olisi tyhjiötä. Silloin kun fotoni etenee, se etenee täysillä. Onko väliaineen läpi päässyt fotoni edes sama joka matkan aloitti, voidaan tietenkin kysyä.

Kuinka monta fotonia tarvitaan, että kyseessä on valo ?

vesa_k

[jussi_k_kojootti]

Kuinka monta fotonia tarvitaan, että kyseessä on valo ?

Kyllä yksittäisenkin fotonin tapauksessa kyse on valosta.  Silmän sauvasolut reagoivat yksittäisiin fotoneihin ja signaali näköaivokuoren suuntaan kyllä lähtee liikkeelle, mutta aivoissa signaalia suodatetaan niin että vasta sitten kun fotoneita tulee (muistaakseni) n. 100 kpl sekunnissa muodostuu tajuntaan havainto  valosta.

[Kaizu]

Lienee määrittelykysymys.
Silloin kun tutkitaan yksittäisten fotonien tekemisiä on ehkä syytä puhua fotoneista. Kun taas selvitellään valon aaltoluonteen laatuisia ilmiöitä, joissa on mukana laskematon määrä fotoneita, lienee syytä puhua valosta.

Kaizu

[mistral]

Spontaani emissio yhdistettynä tuohon Kaizun esille tuomaan valonhitauden selitykseen (jonka kyllä sinällään nielen mukisematta) on ongelmallista, koska spontaanisti emittoidun kvantin suunta on mielivaltainen.  Eli lyhyesti sanottuna ikkunasta ei pitäisi näkyä läpi

Kysymys tästä kuinka fotoni voi säilyttää suuntansa, jos se "hyppii" tuhansia hyppyjä lasin sisällä, ei ole ainakaan minulle selvinnyt. Kuinka elektroni  "osaa" emittoida fotonin juuri oikeaan suuntaan. Tämä suunta saattaa olla yhtä hyvin  elektronin kehän sisäpuolelle kuin ulkopuolelle, jos elektroni käsitetään hiukkaseksi. Vai onko niin, ettei fotoni ensinkään vuorovaikuta elektronien kanssa?

[Kaizu]

Suurin osa aineista ei ole valon kannalta läpinäkyvää. Niissä aineissa ilmeisestikin käy juuri niin että fotoni ensin absorboituu ja sitten taas emittoituu. Absoboituminen voi tapahtua atomin elektroniverhoon jos sieltä löytyy juuri sopivan energian vaativa viritystilan muutos. Kun viritystila laukeaa, emittoituu saman energian sisältävä fotoni. Toine kohta jonne fotoni voi hukkua on atomien lämpöliikkeen lisääminen. Sinne voi hukkua lähes millainen fotoni hyvänsä ja emittoituvat fotonitkin voivat olla energialtaan lähes minkälaisia hyvänsä. Jakauma on tyypillinen mustan kappaleen säteilyjakauma. Läpinäkyvässä aineessa suurin osa fotoneista ei absoboidu eikä heijastu takaisin. QED:ssä selitetään taipuminen fotonien vaiheen säilymisen avulla niin että kun valon nopeus hidastuu mutta taajuus ei, niin fotonit kääntyvät pinnasta poispäin kohti pinnan normaalia. Nopeuden hidastumisen mekanismista QED kertoo joitain esimerkkejä. Fotoni kimpoaa atomin elektroniverhosta lukuisilla erilaisilla tavoilla todennäköisemmin yksinkertaisella tavalla mutta kaikki tavat pitää huomioida. Näissä vuorovaikutuskuvioissa eri määrä tapahtumia jotka ottavat eri määrän aikaa. Läpinäkyvissä aineissa ei atomeilla ole sellaisia mahdollisia viritystiloja joihin fotoni voisi jäädä asumaan (ainakaan kovin monet fotonit).

Kaizu

[jussi_k_kojootti]

Kysymys tästä kuinka fotoni voi säilyttää suuntansa, jos se "hyppii" tuhansia hyppyjä lasin sisällä, ei ole ainakaan minulle selvinnyt.
Kuinka elektroni  "osaa" emittoida fotonin juuri oikeaan suuntaan.

Yllä mainittu stimuloitu emissio on prosessi jossa suunta säilyy (virittyneen atomin sähkökentässä muodostaman dipolin oskillaationa).  Mutta en edelleenkään ole kovin varma siitä miten merkittävää stimuloitu emissio on kun tarkastellaan lasin läpi kulkevaa valoa.

Vai onko niin, ettei fotoni ensinkään vuorovaikuta elektronien kanssa?

Kyllä se vaikuttaa, mutta koko tarkastelussa täytyy ottaa huomioon yksittäisten atomien ja elektronien lisäksi suuresta atomijoukosta koostuvan aineen rakenteen ominaisuudet, erityisesti atomie liike ja värähtelyt sidoksissa.  Näitä värähtelyjä mallinetaan fononeilla, ja niistä pitäisi löytyä riittävästi vapausasteita niin että lasin läpi saadaan fotoneita jatkuvalla spektrillä (jos virityksiä tapahtuisi pelkästään fotonien ja muutaman erilaisen atomin välillä, lasin läpi pitäisi näkyä diskreetti spektri, siis vain joitakin värejä).  Ongelma vain on se että tyypilliset fononi-vapausasteet vaikuttaisivat olevan IR-alueella ....  vrt. Kaizun juttu lämpöliikkeestä.

Kunhan saan asiasta kaikki kysymysmerkit ja epävarmuudet ensin itseltäni selvitettyä niin kirjoitan lisää -- tällä hetkellä minusta näyttää että "naiivi mutta yksityiskohtainen QED-tulkinta arkikielellä" on täysin mahdollinen, enkä tiedä onko se edes niin hirmu naiivi jos vastaukset tiettyihin kysymyksiin on "sopivat" ;)  Kannattaa lukea Physics Forumin FAQ aiheesta.

[jussi_k_kojootti]

Kunhan saan asiasta kaikki kysymysmerkit ja epävarmuudet ensin itseltäni selvitettyä niin kirjoitan lisää -- tällä hetkellä minusta näyttää että "naiivi mutta yksityiskohtainen QED-tulkinta arkikielellä" on täysin mahdollinen, enkä tiedä onko se edes niin hirmu naiivi jos vastaukset tiettyihin kysymyksiin on "sopivat". 

Hmph.

Sain joitakin kysymysmerkkejä ja epävarmuuksia selvitettyä.  Johtopäätökseni on kuitenkin se, että "fotoni-biljardi" ei vaan toimi.  QED on ytimessään tilastollinen teoria.  Biljardia ei pelata niin että heitetään pallot pöydälle ja katsotaan millä todennäköisyydellä menee pussiin.  Valo *on* eri asia kuin monta fotonia.  Valon kulkua lasin läpi *ei* voi ymmärtää tarkastelemalla sitä mitä tapahtuu yhdelle tai edes kahdelle fotonille.

Kaikesta huolimatta, alueelta Avaruushuumori löytyy "täysin äärimmäisen naiivi (mutta ei kovin yksityiskohtainen) QED-tulkinta arkikielellä".