Wenn sich Photonen linear bewegen, was hindert sie tatsächlich daran, durch ein Mikrowellenherdgitter zu gelangen?

Die klassischen elektromagnetischen Wellen können viele Formen haben. Die einfachsten Beispiele sind "monochromatische" Wellen mit einer wohldefinierten Frequenz$f$– die Anzahl der Perioden pro Sekunde. Die Wellenlänge – der Abstand zwischen zwei Maxima der Welle – ist$\lambda=c/f$.

Wenn Sie an einem Punkt etwas am elektromagnetischen Feld ändern, dh wenn Sie versuchen, eine elektromagnetische Welle zu modifizieren, können Sie an einem entfernten Ort nicht sofort etwas ändern. Die Informationen und der Einfluss können sich nie schneller ausbreiten als$c$, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das ist eine ganz allgemeine Tatsache über die Natur, die sich aus der speziellen Relativitätstheorie ergibt und auch für die Quantentheorie gilt. Wenn Sie mit einer Welle von großer Wellenlänge beginnen$L$und schnell etwas an der Welle in einem kleinen Bereich und in einer viel kürzeren Zeitskala als der Periode der elektromagnetischen Welle ändern, in der Hoffnung, dass Sie dadurch "sofort" entfernte Punkte des Weltraums beeinflussen können, werden Sie scheitern. Anstatt eine lange elektromagnetische Welle an Ihrem Projekt zusammenarbeiten zu lassen, erzeugen Sie einige elektromagnetische Wellen mit einer viel höheren Frequenz und einer kürzeren Wellenlänge. Zu lange elektromagnetische Wellen erlauben es einfach nicht, Dinge „ganz schnell“ zu machen – in kürzeren Zeiten als$T$, ihre Periode – und zu lokal – in Regionen, die viel kürzer als die Wellenlänge sind. Wann immer die zeitliche oder räumliche Auflösung viel besser ist, beweist dies nur, dass einige elektromagnetische Wellen mit viel höherer Frequenz und kürzerer Wellenlänge vorhanden sind.

Um die Wellen im Mikrowellenherd zu beschreiben, genügt es, die klassische Physik zu berücksichtigen, dh den Begriff Photonen zu vermeiden. Die Mikrowellen – elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge nur ein wenig kürzer ist als die Größe des Ofens – haben eine vernachlässigbare Chance, durch die Löcher zu gelangen, weil diese Löcher viel kleiner als die Wellenlänge sind. Der Mechanismus wird manchmal als elektromagnetische Abschirmung bezeichnet . Wie funktioniert es?

Nun, wenn Sie Wellenlängenwellen diskutieren wollen$\lambda$nur muss ihre Abhängigkeit vom Raum immer die Form haben$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$: Wellen mit dem richtigen Abstand zwischen den Minima. Der Metallkäfig, der das Innere des Ofens umgibt, birgt jedoch das Potenzial$\phi=0$in einem sehr dichten Netz von Punkten. Wenn Sie versuchen, das Potenzial als aufzuschreiben$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$, während Sie sicherstellen, dass es an allen Punkten, an denen es einen Leiter gibt, Null ist, werden Sie feststellen, dass es keine Lösung außer gibt$A=0$. Die Welle der gegebenen Wellenlänge kann einfach überhaupt nicht durchkommen. Alternativ könnten Sie die Reflexion von den metallischen Punkten des Netzes berechnen (ohne die Löcher zu zählen). Sie würden sich gegenseitig stören und garantieren, dass die Reflexionswahrscheinlichkeit nahezu 100 Prozent beträgt.

Mit anderen Worten, das Photon mit Mikrowellenfrequenz ist "wirklich groß", mindestens so groß wie die Wellenlänge, und es "passt einfach nicht hinein". Es könnte hineinpassen, wenn es "vorgab", ein Photon mit kürzerer Wellenlänge zu sein, aber das wäre ein anderes. Der Mikrowellenherd gibt eine Frequenz vor$f$und die entsprechende Wellenlänge ist immer$c/f$und kann sich nicht ändern. Sie können die Situation auch mit einer "schlechten Auflösung" betrachten, so dass Sie Entfernungen, die kürzer als die Wellenlänge sind, "vernachlässigen". Aus dieser Sicht sieht die metallische Ummantelung des Ofens trotz der kleinen Löcher solide aus. Das ist letztendlich der Grund, warum es für die elektromagnetischen Wellen solide aussieht.

All diese Dinge können auch in Photonen ausgedrückt werden – was in der Quantentheorie benötigt wird – obwohl es, wie gesagt, für Mikrowellen nicht notwendig ist, weil sie eine große Anzahl kohärenter Photonen enthalten, sodass sich diese große Gruppe von Photonen klassisch verhält .

Einzelne Photonen werden durch Wellenfunktionen beschrieben, die mathematisch wie eine elektromagnetische Welle aussehen. Es kann monochromatisch sein, aber es kann auch eine Mischung verschiedener Frequenzen sein. Die Wellenfunktionen einzelner Photonen breiten sich durch den Ofen oder irgendetwas anderes ziemlich genau wie die klassischen elektromagnetischen Wellen aus. Deshalb können auch Photonen von Mikrowellenfrequenzen der Mikrowelle nicht entkommen. Aber die Interpretation ist anders: Die Wellenfunktion ist nicht direkt messbar wie die elektrischen Felder. Stattdessen codiert es (nach dem Quadrieren) die Wahrscheinlichkeitsdichte, dass das Photon hier oder dort ist.

Wenn man versucht, ein Photon einzufangen, dessen Wellenfunktion über eine große Region verteilt ist, hat man eine gewisse kalkulierbare Chance, dass man es „irgendwo hier“, in einer bestimmten nahen Region, einfängt$V$. Aber wenn Sie das tun, ist die Wahrscheinlichkeit Null, dass sich das Photon gleichzeitig an einem anderen, entfernten Ort befindet$P$. Was auch immer Sie also mit dem Photon hier machen – wenn Sie überhaupt Glück haben und das Photon hier „auftaucht“ – wird nicht beeinflussen, was weit von Ihnen entfernt passiert. Wenn Sie das Photon hier sehen, kollabiert die „Wellenfunktion“ und Sie sind sicher, dass das Photon nicht „drüben“ ist, also kann es dort nichts tun. Das Photon war nie dort drüben; es hatte nur eine Chance, dort zu sein, aber Ihre Messung zeigte, dass die Chance nicht eingetreten ist. Diese Punkte werden oft missverstanden, weil Menschen versuchen, sich vorzustellen, dass die Wellenfunktion des Photons eine echte Welle ist, die einige Spuren hinterlassen muss, selbst wenn das Photon letztendlich woanders gesehen wird. Aber es kann nicht und es hinterlässt keinerlei Spuren: Die Wellenfunktion ungleich Null quantifiziert nur ein "Potential", dass irgendwo etwas gesehen werden kann.

Jedenfalls werden Sie sehen, dass Photonen auch nicht dazu verwendet werden können, überluminale Signale zu senden.

Es ist ein heikles Thema - und das bedeutet, dass man ständig darüber nachdenken muss. Kurze Antwort ist - NEIN, die "Photonen" sind nicht gleich groß. Die Größe der elektromagnetischen Welle (die aus vielen vielen Photonen besteht) entspricht ungefähr der Größe des Geräts, das sie aussendet. Die von Atomen emittierten Wellen sind also ungefähr atomgroß, die von Radiosendern emittierten Wellen haben die Größe eines Senders und die Mikrowellen im Mikrowellenherd haben die Größe des elektronischen Teils, das sie emittiert. Ihre Hauptverwirrung ergibt sich aus der Frage: Wie versteht man eine Welle, die aus Teilchenphotonen besteht? Betrachten Sie es als eine normale Welle - wenn die Welle durch Wellenbrecher geht, kommt ein Teil der Welle durch, aber der verbleibende Teil wird getötet, wodurch die gesamte Welle effektiv gestoppt wird.

SO. Um zu verstehen, wie Wellen aus "Photonen" entstehen, müssen wir einen guten Einblick in die Idee der INTERFERENZ bekommen.

PS: Photonen sind keine physikalisch gut definierten Objekte, niemand kann einzelne Photonen messen oder einfangen. Es ist eine sehr nützliche KONZEPTIONELLE Idee, die uns hilft zu verstehen, wie Atomphysik und Laser funktionieren. Newton dachte, genau wie Sie, dass Licht aus Photonen besteht. Aber er hatte Probleme damit, es optisch zu verwenden, genau wie Sie.

Bei Mikrowellenherden besteht das Frontscheibengitter aus Metall (Leiter). Wellen können nicht durch Löcher hindurchtreten, wenn der Durchmesser der Löcher wesentlich kleiner als die Wellenlänge ist. Mikrowellen, die in Öfen verwendet werden, haben eine Wellenlänge von etwa 12,6 cm und die Löcher im Metallgitter haben einen Durchmesser von etwa 0,2 cm. Eine vereinfachte Erklärung ist, dass EM-Wellen Schwingungen im EM-Feld sind und das Elektronengas im Leiter, aus dem das Netz besteht, auf diese Schwingungen reagiert, indem es ebenfalls entsprechend schwingt; Die Schwingungen von Elektronen in Metallgittern erzeugen Änderungen im EM-Feld, die die ursprünglichen Mikrowellen aufheben. Die EM-Wellen-Dämpfung funktioniert so, dass sie umgekehrt proportional zur vierten Potenz von ist$\frac{wavelength}{hole}$Verhältnis: In diesem Beispiel$\frac{1}{(12.6/0.2)^{4}}$=$\frac{1}{15752961}$was bedeutet, dass die Strahlungsintensität von Mikrowellen nach dem Durchgang durch das Metallgewebe um etwa 15700000 kleiner ist als vor dem Durchgang durch das Metallgewebe.