Från antenn till foton. Endast kvantfysik.

Endast kvantfysik och modern partikelfysik, inga klassiska modeller och absolut inga analogier. Jag vill ha reda på de enskilda emitterade fotornernas frekvenser givet tid och punkt på en oscillerande antenn. Vilka närliggande variabler avgör fotonernas frekvenser vid varje emission? Ja, du har förstått frågan rätt och jag menar det jag skriver.

Det som avgör bulken är nog elektronernas oscillerande fram och tillbaka längs antennen. Så det vi har att göra med är alltså fotonerna emitterade från the oscillerande elektronerna. Två saker utgör nog det mesta: elektronernas aktuella "momentum" och den kraftbärare (force carriers) som verkar på dem för att få dem att oscillera, vilket råkar vara fotoner: men inte de fotoner vi är ute efter.

Antagligen bryr vi oss bara om de elektroner som ligger på ledningsbandet.

Glöm det där med force carriers ovan, viktiga är bara själva accelerationen av elektronerna.

Vi tittar på dessa variabler vid varje ögonblick för att få oss en uppfattning om vilka fotoner som mest sannolikt kommer att skapas vid varje tillfälle hos den oscillerade elektronen.

Med tanke på att accelerationen inte kommer att vara konstant så förväntar jag mig att vi får ett band av frekvenser på fotonerna (inte att blanda ihop med RF och den resulterande klassiska EM-vågen).

Någon?

Jag är osäker på om jag uppfattar frågan korrekt. Men en elektron sänder ut en foton när den hoppar ner ett lager. Låter du en växelström oscillera i en antenn så är det detsamma som att accelerera och bromsa elektroner, vilket är mekanismen bakom emissionen av fotonen vars energi då motsvarar svängningsfrekvensen, eller om så vill, den accelerationen av elektronens massa, eller dess kinetiska energi.
Den enda relevanta faktorn är frekvensen i växelspänningen till antennen eftersom det är detsamma som att säga hur många gånger per tidsenhet elektronen ska accelereras och deaccelereras.(vilket egentligen ocksä är acceleration, men negativ sådan) Då sänder sänder en elektron ut en foton för varje acceleration som motsvaras av fotonens energi vilken bestäms av dess frekvens.

Har jag missuppfattat frågan så ber jag dig vara tydligare. Har jag fel någonstans så önskar jag bli rättad, och vill du att jag utvecklar mer om detaljet så gör jag gärna det. Men klockan är mycket nu och jag skriver från mobil.



Du har i princip rätt. Vi får alltid ett band, både pångrund av det du är inne och nosar på, sen eftersom det är statistiskt så varje potentialtopp i ett elektromagnetiskt fält har en utsträckning utöver att de statistikt inte kommer hamna på exakt samma frekvens eftersom även absorbering och emission med foton och elektron är statistiskt. Sen existerar inte äkta monokromatiskt ljus, eller om så vill, monokromatiskt elektromagnetiskt fält.

Också trött här, så möjligt att jag läser och pratar förbi dig och läser fel.

Jag har forskat lite och kommit fram till att min frågeställning går efter några felaktiga premisser. Jag ska omformulera min originella fråga tydligt och sedan ge ett mer korrekt svar, så får du se var både du och jag har fel.

Originalfrågan: vad är de släppta fotonernas våglängder/energier/frekvenser (frekvens f där e=hf) från en antenn givet en spänningskälla med frekvensen x hz.

Först vill jag rätta dig om det där med accelerationen på elektronerna. Accelerationen sker hela tiden, den sker inte lika många gånger som spänningsfrekvensen.

Problemet ligger sedan i vad en foton är för något. Jag håller med dig om det där med att en elektron hoppar upp eller ner en nivå och släpper ifrån sig fotoner. Det har vi fått lära oss i skolan. Men detta är en approximation såklart och en förenklad bild jämfört med kvantelektrodynamiken. Den bilden vi har lärt oss i skolan behandlar fotonen just som vi lärt oss, och denna bild gäller inom begränsade omständigheter/perspektiv (beräkningar och experiment).

I QED räknar man i många sammanhang istället på energin som släppts, och då följer fortfarande denna energin heisenberg principen. Heisenbergs princip, efter mycket matte, leder till att man inte vet hur många fotoner som släppts och inte heller vilka energier de har. Man får istället olika paket av fotoner där energin är utdelade bland fotonerna. Det finns där olika "modes" där fotonerna hör ihop på olika sätt, där utspridda fotoner egentligen är en och samma foton (och här tror många att den holografiska principen kan vara bakgrunden.. men ingen vet... att det ska ha att göra med att verkligheten har flera dimensioner spekuleras det om också).

Fotonen finns liksom inte på samma sätt där. Dock kan vi se den om vi bara tittar på själva reaktionen, när den absorberas, och tänka oss att det är en foton. Samma sak när den släpps.

Men när vi har att göra med antenner så blir det knepigare. Matematiken bakom är sinnessjuk, nånting med hamiltonian och tensorer att göra. Givet en massa osäkerhet (med osäkerhetsprincipen) och hur hur man räknar med tensorer i EM-QFT... och för att inte göra det lättare.... hur man beräknar "path integrals"... gör att vi sammantaget får hela stora vågor i EM-fältet där vi inte kan säga något om dess kvanta och prata om fotoner så som jag hade hoppats. Samma osäkerheter gäller mottagaren. Det enda man ser är slutsumman av svajande elektroner som följer svajande tensorer.

Det är lätt att prata om fotoner på nära håll (från elektron till elektron i strömmar) och vid emission/aobsorbtion under vissa omständigheter. Men inte när du har antenner och liknande.

För att göra det värre så går QED sönder på långa avstånd, och då är QED den absolut bästa modell av ljus som vi har. Ingen vet vad ljus är ännu.

Jag tror du krånglar till detta lite mer än nödvändigt, men jag förstår nu att du vill ha ett lite mera utförligt svar, så jag får be att återkomma, så ska jag välja mina ord lite nogrannare. Som sagt, jag återkommer så kanske någon annan fyller i under tiden.
Men även om faktorerna du drar upp till viss del är relevanta så är det mycket vi kan förenkla för att göra det lättare för oss. Men återigen är klockan mycket och jag skriver på mobil, så jag svarar imorgon. Trevlig kväll!

Men det är just det jag inte vill . Jag kan redan maxwells ekvationer och vanlig kvantfysik. Har just börjat plugga kvantelektrodynamik och där är ljus varken partikel eller våg längre, utan helt korrekt någonting annat eftersom att ljus varken är partike eller våg.

Acceleration av elektroner sker hela tiden, men accelerationen från potentialskillnaden i växelströmmen vi matar en låt säga dipol med accelererar elektroner bort från ena sidan av dipolen till den andra i exakt samma takt som växelströmens frekvens. I en antenn så har vi både fria och bundna elektroner, och oavsett om samtliga elektroner rör sig hela vägen från ena sidan av dibpolen till den andra med respekt till inmatningsfrekvensen så kommer potentialskillnaden mellan dipolens bägge delar att ge upphov till en frekvens som är exakt densamma som vi förvlyttar elektronerna med, det vill säga inmatningsfrekvensen.

Så om vi bromsar upp tiden lite och säger att vi har en dipolantenn med två spröt som initialt är neutrala. Sen kopplar vi in en växelström på denna så att det ena sprötet blir negativt laddat, och det andra blir positivt. Där fryser vi tiden. Då har vi en potentialskillnad mellan de bägge spröten eftersom fler elektroner med högre energi rört sig åt det positivt laddade sprötet. Hur långt elektronerna i antennen hinner röra sig är inte relevant, utan det som är relevant är att det är en potentialskillnad mellan spröten och att en acceleration av elektroner(och protoner) har skett mellan spröten.
Sedan vänder vi på potentialen i dipolen, och då kommer en acceleration åt motsatt håll att ske med exakt samma hastighet som potentialen växlar i insignalen.
Och varje gång det är en potentialskillnad någonstans så kommer fotoner sändas ut från elektronerna som hoppar ner i potential.

Så acceleration sker såklart överallt hela tiden eftersom vi inte har ett system under 0 grader kelvin, men potentialskillnaden mellan dipolens bägge spröt växlar i samma takt som potentialskillnaden i växelströmmen vi matar den med, så elektronernas acceleration, eller om vi ska vara petiga, potentialförändringar, sker med samma takt.

Osäkerhetsprincipen gäller alltid i precis alla kvantmekaniska system för allt, så den faktorn kan vi räkna bort. Den förändrar ingenting utan så länge vi är medvetna om att den existerar så kan vi låta den vara eftersom du säger, det är statistiskt, så att så länge osäkerhetsprincipen inte ger en övervikt i någon sannolikhet så är det bara en faktor i sannolikheten. Och den är symetrisk, så strunt i den.

Antalet fotoner som släpps vet vi. En elektron som hoppar ner en potential runt en atom ger ifrån sig exakt 1 foton, varken mer eller mindre, men vars frekvens beror på hur stor potentialskillnaden den hoppar ner är. Men det är inte dessa fotoner som blir radiosignalen, utan radiosignalen beror på att vi har ett elektromagnetiskt fält från accelererande elektroner, som vi sen kan manipulera via de fria elektornerna i dipolen med hjälp av växelströmen.

Att kalla en foton för "paket", "vågpaket", "kvanta", "partikel" "vågpotential" eller kanske "sannolikhetsamplitud" eller vad som helst spelar ingen roll. Det är samma saker. Man bara behandlar de lite annorlunda beroende på vad man gör.

När vi har ett helt fält med fotoner, vilket då inte är fotoner eftersom en "foton" är partikeln, eller en punkt med hög potential i ett fält, så stämmer det att vi inte kan göra skillnad på någon foton. Då kan vi inte beskriva detta med fotoner, utan som ett fält. Det har ingenting med holografiska principen att göra, utan det har att göra med vågpartikeldualitet.

Fotonen finns där, men inte i form av en foton, utan som ett fält, eller om vi ska vara lite tydligare, fotonen bar brett ut sig i en sannolikhetsvåg vars sannolikhetsamplitud vi kan kalkylera genom att summera ALLA vägar en foton kan och inte kan gå. Framåt och bakåt i tiden, i imaginär tid, i oändligt med dimmensioner osv. Och resultatet vi får av att kalkylera på detta sättet och lägga ihop och dra bort interferens som bygger på eller drar bort kallas banintegrering, eller "path integrals". Resultatet man får av detta är dock alltid det klassiska, att fotonen hamnar inom sin korresponderande ljuskon.

Hamiltonian säger också detta då det säger vilka svar som är möjliga givet en viss energi i ett system, eller om så vill, information i ett system. Banintegreringens svar är en hamiltonian t.ex. eftersom svaret efter destruktiv och produktiv interferens ger ett klassiskt svar.

En tensor är bara en typ av variabel. Ett mellansteg som säger att X påverkar Y så här genom den här tensorn.

Vi kan absolut prata om kvanta i vågor, men vi kan inte definiera dem, men fältet innehåller samtlig information för dess kvanta. Vi kan inte heller prata om fotoner när vi pratar om fält eftersom en foton per definition är en hög potential i ett fält, vilket vi då kallar en "partikel", som då kan vara mer eller mindre stabil. Denna höga potentialen som en stabil foton har som sen av någon anledning blir en våg drar då ut denna potentialen till radien gånger c, och osäkerhetsprincipen säger att vi inte kan definiera vart i detta fält fotonen då är, och vi kan behandla den som att den är överallt.
Sen beror det på vad vi pratar om. I andra fall så funkar andra beskrivningar bättre.

Men dessa osäkerheter gäller inte för saker som frekvensen vi skickar iväg en elektromagnetisk våg med eftersom frekvensen är densamma som energin vilken alltid är konserverad. Så skickar du iväg någonting med 1 hz så kommer den vara det när den kommer fram. Det finns en pyttepytteliten osäkerhet, men den är irrelevant i detta fallet.

Jag vet inte varför QED skulle "gå sönder" på längre avstånd? Vill du utveckla?

Dessutom är fotonantalet inte bestämt i en sådan här våg så man kan diskutera hur meningsfullt det är att tala om enskilda fotoner. Man har en osäkerhetsrelation mellan hur väl man kan bestämma fas och amplitud hos en elektromagnetisk våg.

Det beror väl på. Vi kan sända ut en enskild foton genom något kontrollerat experiment där vi låter en elektron hoppa ner en potentialnivå. Då vet vi att den sänder ut exakt 1 foton med en energi i form av fotonens frekvens som motsvarar skillnaden i potentialnivå. Låt säga att denna enskilda fotonens frekvens är 2 hz och att denna sedan breder ut sig i en sannolikhetsvåg, då kan inte denna sannolikhetsvåg ge upphov till två fotoner med 1 hz vardera.
Amplituden i en elektromagnetisk våg korrelerar ju till antalet fotoner vågen är uppbyggd av(om du inte menar sannolikhetsamplituden vilket har med position att göra där det du säger är mer applicerbart då du pratar om osäkerhetsprincipen), och vi kan bara koncentrera denna genom att öka energin, men den är fortfarande konserverad i frekvensen. Osäkerhetsprincipen säger att vi inte kan bestämma position och momentum, eller fas och sannolikhetsamplitud(vilket är detsamma som position) samtidigt eller enskild med total säkerhet, men det är inte detsamma som att säga att vi inte kan veta hur många fotoner en sannolikhetsvågen består utav.
Låter jag en foton med frekvens x stråla i en osäkerhetsvåg så har jag inte längre koll på vare sig fasen, positionen eller momentumet, men jag har koll på energin, och vet jag sedan innan vilken energi fotonen jag har låtit stråla har och jag vet att energi är konserverat så vet jag också hur många fotoner sannolikhetsvågen består utav.

Så Heisenberg säger att vi kan inte veta fas, sannolikhetsamplitut vilket är detsamma som position och momentum samtidigt eller exakt. Men energin kan vi ha stenkoll på och den är konserverad. Så sänder vi ut 1 foton med energin x hz i en sannolikhetsvåg så kommer detta enskilda vågpaket att dumpa sin energi på ett och endast ett ställe och med exakt den energin som vi sände ut den med.

Eller hur tänker du?

Man kan skapa s k squeezed light där amplituden är helt fix och fasen därmed helt okänd, men det kräver en del extra jobb och är inte vad man får naturligt. Man kan som du tycka att energikonservering borde ge en fix amplitud, men processen som genererar fotonen är sig en kvantmekanisk process med osäkerhet. Du talar om att en elektron hoppar ned till ett lägre tillstånd och då måste skicka ut exakt en foton, men hur kan du vara säker på att elektronen först exciterats och sen fallit ned? Ja, då får du göra någon extra mätning på den och det tillför i sin tur osäkerhet osv.

Inte bara fasen, utan även momentumet. Fasen är ju som bekant annars en funktion av tiden, och det är ju traditionellt sett position och momentum man brukar prata om med osäkerhetsprincipen.
Men även om vi som jag skrev innan får en mer definierad position genom att tillföra energi så har vågpaketen, eller vågpaketet fortfarande konserverad energi i sig självt.

Först och främst vad pratar du om för amplitud? Energikonservering ger en bestämt amplitud på det sättet en ingenjör skulle se på amplitud, alltså elektromagnetisk amplitud vilket korresponderar till antalet fotoner. Det är vad jag säger eftersom ett vågpaket med inte magiskt blir två vågpaket.
Pratar du om sannolikhetsamplitud så är det detsamma som position, vilket jag inte har påstått någonting konstigt om.

Processen som genererar en foton är förvisso kvantmekanisk, men det råder ingen osäkerhet alls i antalet fotoner som en elektron sänder ut när den hoppar ner en potentialnivå. Det är alltid 1. Osäkerheten där ligger i frekvensen, inte antalet fotoner.

Det skulle inte vara något problem om jag i mitt experiment först skulle exitera elektronen. Det spelar ingen roll.

Det jag säger är att man kan på ett kontrollerat sätt sända ut exakt 1 foton, med då en viss osäkerhet i vilken frekvens den sänds ut i, men när den väl har emitterat så är det bestämt, men med en fortsatt osäkerhet i sannolikhetsamplitud och momentum om vi inte gör någonting som kräver massa energi där vi då kan öka säkerheten i den ena och samtidigt minska den andra. Vi låter då denna enskilda foton med dess inneboende osäkerheter stråla till någon detektor, och vi kan vara 100% säkra på att sannolikhetsvågen som propagerades endast och enbart innehöll 1 foton tack vare energikonservering och det faktumet att det är kvanta.