6.1 Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και σκέδαση Κόμπτον

Αρχική ／ Κεφάλαιο 6: Κβαντικός τομέας

Στη Θεωρία Νημάτων Ενέργειας (EFT), το φως είναι δέσμη κυμάτων από διαταραχή τανυστή που διαδίδεται μέσα σε μια «θάλασσα ενέργειας». Μια διαταραχή σχηματίζει σταθερή δέσμη μόνο όταν υπερβεί το τοπικό κατώφλι τανυστή· αντίστοιχα, ο δέκτης απορροφά ενέργεια μόνο όταν η δική του δομή υπερβεί το κατώφλι απορρόφησης. Επομένως, η εμφανής «σωματιδιακή» συμπεριφορά δεν σημαίνει ότι το φως είναι κόκκοι· προκύπτει επειδή η εκπομπή και η απορρόφηση γίνονται σε αδιαίρετες μερίδες που ορίζονται από κατώφλια, ενώ η πορεία ανάμεσα στην πηγή και τον δέκτη υπακούει στους νόμους του κύματος—διάδοση, φάση και συμβολή. Συνοψίζοντας: το κύμα καθορίζει τη διαδρομή, τα κατώφλια καθορίζουν τη μερίδα.

I. Ενιαίος μηχανισμός: τρία κατώφλια, τρία διακριτά βήματα

Ένα πλήρες «έλευση–αναχώρηση» του φωτός έχει τρία τμήματα. Μαζί εξηγούν γιατί η ανταλλαγή ενέργειας γίνεται κατά μερίδες.

• Κατώφλι στην πηγή: κατώφλι σχηματισμού δέσμης
  Στο εσωτερικό της πηγής, ο τανυστής και η φάση συσσωρεύονται και εξελίσσονται. Όταν φτάσουν το κατώφλι εκφόρτισης, η αποθηκευμένη ενέργεια εξέρχεται ως συνεκτικό περίβλημα—μία πλήρης δέσμη. Κάτω από το κατώφλι δεν υπάρχει «σταγονική διαρροή»· στο κατώφλι, η εκπομπή είναι ολική. Έτσι, η εκπομπή γίνεται κατά μερίδες.
• Κατώφλι στη διαδρομή: κατώφλι διάδοσης
  Η θάλασσα ενέργειας δεν «ανάβει πράσινο» σε κάθε διαταραχή. Μόνο διαταραχές με επαρκή συνοχή, μέσα σε παράθυρο διαφάνειας συχνοτήτων, και ευθυγραμμισμένες με κανάλι χαμηλής εμπέδησης ταξιδεύουν μακριά ως σταθερές δέσμες. Οι υπόλοιπες θερμαίνονται, σκεδάζονται ή πνίγονται στον θόρυβο φόντου κοντά στην πηγή.
• Κατώφλι στον δέκτη: κατώφλι κλεισίματος
  Ένας ανιχνευτής ή ένα δεσμευμένο ηλεκτρόνιο πρέπει να περάσει από πύλη υλικού ώστε η απορρόφηση/εκπομπή να θεωρηθεί ολοκληρωμένη. Η πύλη είναι αδιαίρετη: ή δεν κλείνει, ή κλείνει σε μια πλήρη μερίδα. Άρα η ανίχνευση και η ανταλλαγή ενέργειας γίνονται «μία μερίδα κάθε φορά».

Με μία φράση: το κατώφλι σχηματισμού δέσμης διακριτοποιεί την εκπομπή, το κατώφλι διάδοσης φιλτράρει τι ταξιδεύει μακριά, και το κατώφλι κλεισίματος διακριτοποιεί την απορρόφηση. Αυτή η αλυσίδα κατωφλίων ενοποιεί την κυματική πορεία με το «λογιστικό κατά μερίδες» σε μία φυσική εικόνα.

II. Δύο κλασικά πειράματα μέσα από την αλυσίδα κατωφλίων

1. Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: κατώφλι χρώματος, χωρίς αναμονή, η ένταση αλλάζει το «πλήθος»
   Ιστορική ματιά: Το 1887 ο Hertz παρατήρησε ότι η υπεριώδης ακτινοβολία ενισχύει τους σπινθήρες. Το 1902 ο Lenard ανέφερε τρεις νόμους: υπάρχει κατώφλι χρώματος (συχνότητας)· τα ηλεκτρόνια εμφανίζονται άμεσα· η ένταση αλλάζει το π πλήθος ηλεκτρονίων, όχι την ενέργεια ανά ηλεκτρόνιο. Το 1905 ο Einstein το ερμήνευσε με διακριτές μερίδες ενέργειας, και το 1914–1916 ο Millikan το επιβεβαίωσε με υψηλή ακρίβεια.

Ερμηνεία στη Θεωρία Νημάτων Ενέργειας:

• Γιατί «μία-μία»: Η διακριτοποίηση εμφανίζεται και στα δύο άκρα: η πηγή εκλύει πλήρεις δέσμες στο κατώφλι σχηματισμού, ο δέκτης κλείνει σε πλήρη μερίδα στην πύλη υλικού. Η διαδρομή είναι κυματική· στο σημείο συναλλαγής γίνεται κατά μερίδες.
• Η ένταση αλλάζει τον «ρυθμό μερίδων», όχι το «μέγεθος ανά μερίδα»: Η ένταση καθορίζει πόσες δέσμες ανά χρόνο εκπέμπονται, άρα το ρεύμα αυξάνει με την ένταση· η ενέργεια ανά μερίδα εξαρτάται από το χρώμα, όχι από την ένταση.
• Χωρίς ορατή αναμονή: Δεν υπάρχει αργή συσσώρευση· όταν φθάσει δέσμη που πληροί τα κριτήρια, η σύναψη κλείνει αμέσως.
• Το χρώμα έχει κατώφλι: Ένα δεσμευμένο ηλεκτρόνιο πρέπει να περάσει την πύλη υλικού για να εκλυθεί. Η «γροθιά» μιας δέσμης ορίζεται από τον ρυθμό της πηγής—το χρώμα. Αν είναι πολύ ερυθρό, μία μερίδα δεν αρκεί· περισσότερη ένταση δεν βοηθά.

2. Σκέδαση Κόμπτον: μία μερίδα, ένα ηλεκτρόνιο, ένα συμβάν
   Ιστορική ματιά: Το 1923 ο Compton σκέδασε μονοχρωματικές ακτίνες Χ σε σχεδόν ελεύθερα ηλεκτρόνια και βρήκε ότι όσο μεγαλώνει η γωνία, τόσο κοκκινίζει (χαμηλότερη συχνότητα) το σκεδαζόμενο φως. Το ερμήνευσε ως συναλλαγή ένας-προς-έναν με ηλεκτρόνιο και τιμήθηκε με Νόμπελ το 1927.

Ερμηνεία στη Θεωρία Νημάτων Ενέργειας:

• Τα κύματα εξακολουθούν να διαμορφώνουν το αποτέλεσμα: Πριν και μετά το συμβάν, περίβλημα και φάση ακολουθούν τους νόμους του κύματος· η διακριτοποίηση εμφανίζεται μόνο τη στιγμή της συναλλαγής.
• Διακριτά γεγονότα σκέδασης: Η πύλη του δέκτη επιβάλλει κάθε κλείσιμο να είναι μια πλήρης μερίδα—όχι διαίρεση μιας μερίδας σε δύο ηλεκτρόνια.
• Συναλλαγή μιας μερίδας: Μια δέσμη διαταραχής τανυστή «κουμπώνει» σε ηλεκτρονικό υπο-υπόστρωμα που μπορεί να ανοίξει την πύλη και κλείνει ένας-προς-έναν, παραχωρώντας ενέργεια και ορμή· έτσι το σκεδαζόμενο φως μετατοπίζεται προς το ερυθρό, και σε μεγαλύτερες γωνίες παραχωρείται περισσότερη ενέργεια.

III. Συνέπειες της αλυσίδας κατωφλίων: δεν ταξιδεύει κάθε διαταραχή μακριά

Πολλά «σήματα» σβήνουν στην πηγή ή μένουν στο εγγύς πεδίο λόγω του κατωφλίου διάδοσης:

• Ανεπαρκής συνοχή: Το περίβλημα καταρρέει από τη γέννηση, δεν γίνεται ανθεκτική δέσμη.
• Λάθος παράθυρο: Η συχνότητα πέφτει σε ισχυρά απορροφητικές ζώνες του περιβάλλοντος και σβήνει σε μικρές αποστάσεις.
• Ασυμβατό κανάλι: Δεν υπάρχει κατάλληλο κανάλι χαμηλής εμπέδησης ή η προσανατολισμένη ευθυγράμμιση δεν ταιριάζει, οπότε η ενέργεια διαχέεται γρήγορα.

Για να ταξιδέψει μακριά, ένα σήμα πρέπει ταυτόχρονα να ικανοποιεί και τα τρία: καλό σχηματισμό δέσμης, σωστό παράθυρο διαφάνειας και ευθυγράμμιση καναλιού.

IV. Συσχέτιση με υπάρχουσες θεωρίες

• Σύμφωνο με την κβαντομηχανική: Η δήλωση «η ενέργεια κάθε διακριτής μερίδας κλιμακώνεται με τη συχνότητα» ισχύει. Η Θεωρία Νημάτων Ενέργειας θεμελιώνει την προέλευση της διακριτοποίησης στο κατώφλι σχηματισμού (πηγή) και στο κατώφλι κλεισίματος (δέκτης), χωρίς νέες οντότητες.
• Συμβατό με την κβαντική ηλεκτροδυναμική: Η υπολογιστική πρακτική που αντιμετωπίζει το φως ως κβάντα πεδίου παραμένει αναλλοίωτη. Η Θεωρία Νημάτων Ενέργειας προσθέτει υλικό υπόστρωμα: η θάλασσα θέτει όρια στη διάδοση και στη φάση, ενώ τα νήματα και το υλικό παρέχουν κατώφλια και κλεισίματα.
• Συνεπές με την κλασική κυματική: Η συμβολή και η περίθλαση είναι κυματικά φαινόμενα. Η Θεωρία Νημάτων Ενέργειας τονίζει: το κύμα διαμορφώνει την πορεία, τα κατώφλια ποσοτικοποιούν τη συναλλαγή—και τα δύο συνυπάρχουν χωρίς αντίφαση.

V. Κύρια σημεία

• Το φως συμπεριφέρεται ως δέσμες κυμάτων που διαδίδονται και συμβάλλουν σύμφωνα με τους νόμους του κύματος στη θάλασσα ενέργειας.
• Η διακριτοποίηση («μία-μία») προκύπτει από κατώφλια: ο σχηματισμός δέσμης στην πηγή και το κλείσιμο στον δέκτη κάνουν την εκπομπή–απορρόφηση να εξελίσσεται κατά μερίδες.
• Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δείχνει σκληρό κατώφλι στον δέκτη: το χρώμα κρίνει αν μια μερίδα περνά την πύλη· η ένταση αλλάζει μόνο τον ρυθμό μερίδων, όχι την ενέργεια ανά μερίδα.
• Η σκέδαση Κόμπτον αποκαλύπτει γεωμετρία μιας μερίδας–ενός ηλεκτρονίου: μεγαλύτερη γωνία → περισσότερη παραχώρηση ενέργειας → ισχυρότερη ερυθρή μετατόπιση.
• Δεν μετατρέπεται κάθε διαταραχή σε «φως μακρινής εμβέλειας»: μόνο δέσμες καλά σχηματισμένες, εντός σωστού παραθύρου και εναρμονισμένες με κανάλι ταξιδεύουν μακριά· οι υπόλοιπες σβήνουν κοντά στην πηγή.