Einsteinin valokvantit Maxwellin yhtälöiden linssin läpi

Intialaisen Plaksha Universityn Dhiraj Sinha on tarkastellut Einsteinin valokvantteja Maxwellin yhtälöiden linssin läpi ja esitellyt tutkimusväitettään Phys.org -sivustolla.

Valoa ajateltiin pitkään aaltoina ja siinä ilmeni interferenssi-ilmiö, jossa vesiaaltojen kaltaisia aaltoja syntyy tietyissä vuorovaikutuksissa. Valo myös taipuu kulmien ympäri, mikä johtaa reunusefekteihin, joita kutsutaan diffraktioksi. Valon energia liittyy sen intensiteettiin ja on verrannollinen sähkökentän amplitudin neliöön, mutta valosähköisessä efektissä emittoituneiden elektronien energian havaitaan olevan verrannollinen säteilyn taajuuteen.

Selittääkseen ilmiön Einstein ehdotti vuonna 1905, että valo koostuu kvantisoiduista energiapaketeista, joita alettiin kutsua fotoneiksi. Se johti teoriaan valon kaksoisluonteesta, jonka mukaan valo voi käyttäytyä aallon tai hiukkasen tavoin vuorovaikutuksistaanriippuen, mikä tasoitti tietä kvanttimekaniikan syntymiselle.

Vaikka Einsteinin fotoneja koskeva työ sai laajempaa hyväksyntää, Nobelin palkintoineen, hän ei ollut täysin vakuuttunut. Hän kirjoitti vuonna 1951 lähettämässään kirjeessä: "Kaikki 50 vuoden tietoinen pohdiskelu eivät ole tuoneet minua lähemmäksi vastausta kysymykseen: Mitä ovat valokvantit?"

Hiljattain Annals of Physics -lehdessä julkaistussa työssä Dhiraj Sinha on osoittanut, että valon tulkinta kvantisoiduiksi energia- tai hiukkaspaketteiksi on seurausta hienovaraisemmasta ilmiöstä, joka liittyy magneettivuon kvantisointiin.

Työ osoittaa, että valoenergian ja elektronien välisen kytkennän perustavanlaatuinen näkökohta voidaan yksinkertaisesti johtaa Faradayn sähkömagneettisen induktion lain avulla, jossa varauksen e elektronin energia sähkömagneettisen säteilyn ajan vaihtelevan magneettivuon j kentässä on edj/dt. Sinha on lisäksi osoittanut, että sen taajuus- tai osoitinalueen esitys on ejw, missä w on säteilyn kulmataajuus.

Albert Einsteinin idea energian valokvanteista, joka on yhtä suuri kuin ħw, jossa ħ on pelkistetty Planckin vakioksi. On olemassa runsaasti kokeellista näyttöä magneettivuon kvantisoinnista aina suprajohtavista silmukoista kaksiulotteiseen elektronikaasuun, mikä havaitaan kvantti Hall-ilmiössä.

Dhiraj Sinha: Olen pyrkinyt klassisen sähkömagnetismin kautta johtamaan energian ilmaisun ejw, joka vastaa Einsteinin käsitystä valokvanteista tai fotoneista. Olen edelleen väittänyt, että elektronin energia voi olla diskreetti, ja näiden erillisten energiatasojen mittaukset voivat antaa vaikutelman valon hiukkasmaisesta luonteesta.

Kvanttimekaniikka voi selittää ja palauttaa klassiset tulokset joidenkin erityisten approksimaatioiden avulla. Kvanttimekaanisten tulosten johtaminen tiukasti klassisista oletuksista ei kuitenkaan yleensä ole mahdollista niiden kehysten perustavanlaatuisten erojen vuoksi. Koen, että työni täyttää suuren aukon ymmärryksessämme valon luonteesta.

Olen kiinnittänyt huomiota magneettivuon kvantisoituun luonteeseen. Olen myös osoittanut, että fotonien käsite syntyy magneettivuon kvantisoinnin luonnollisena seurauksena vastoin klassista sähkömagnetismin puitteita.

Työ on osittain johdettu aiemmasta tutkimuksesta, joka julkaistiin Physical Review Lettersissa vuonna 2015 ja jossa väitimme, että säteily on seurausta sähkömagneettisen kentän rikkoutuneesta symmetriasta. Sen myötä syntynyt ymmärrys sähkömagnetismista voisi mahdollistaa "antennit sirulle"

Tutkimusjulkaisu: Elektronien sähködynaaminen viritys