[論文レビュー] Electromagnetic radiation and resonance phenomena in quantum mechanics

В. А. Головко|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2008

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、量子力学における電磁放射と共鳴現象が、光子粒子を導入することなく、波に基づくモデルによって完全に説明可能であると主張している。非定常な量子状態と電磁波との相互作用を分析することで、著者は、通常は光の粒子的性質に起因するとされる共鳴効果が、波動のダイナミクスから自然に生じることを示し、標準的量子力学の枠組み内で、光電効果とコンプトン効果を一貫して説明できる。

ABSTRACT

It is demonstrated that, if one remains in the framework of quantum mechanics taken alone, stationary states (energy eigenstates) are in no way singled out with respect to nonstationary ones, and moreover the stationary states would be difficult if possible to realize in practice. Owing to the nonstationary states any quantum system can absorb or emit energy in arbitrary continuous amounts. The peculiarity of the stationary states appears only if electromagnetic radiation that must always accompany nonstationary processes in real systems is taken into account. On the other hand, when the quantum system absorbs or emits energy in the form of a wave the determining role is played by resonance interaction of the system with the wave. Here again the stationary states manifest themselves. These facts and influence of the resonator upon the incident wave enable one to explain all effects ascribed to manifestation of the corpuscular properties of light (the photoelectric effect, the Compton effect etc.) solely on a base of the wave concept of light.

研究の動機と目的

• 量子放射効果が粒子的性質を示す光子を必要とするという従来の解釈に挑戦すること。
• 孤立した状態では定常状態は物理的に実現不可能であり、電磁放射と結合している場合にのみ意味を持つことの証明。
• 通常は光の粒子的性質の証拠と見なされる共鳴現象が、波動相互作用から自然に生じることの示唆。
• 光子を仮定することなく、波に基づく説明で光電効果とコンプトン効果を説明すること。
• 共鳴器が量子系と電磁波の相互作用をどのように形作るかの役割の明確化。

提案手法

• 非定常状態にある量子系を分析することで、離散的な量子数に依存しない連続的なエネルギー吸収・放出を示す。
• 電磁放射が定常状態と非定常状態を区別する上で不可欠な役割を果たすことを導入する。
• 量子系と入射電磁波の間の共鳴的相互作用が、エネルギー交換の主なメカニズムであることを検討する。
• 位相と振幅の一致を重視した共鳴条件における波動形式を用いてエネルギー移動をモデル化する。
• 外部の共鳴器が波動伝播および系の応答に与える影響を検討し、観測可能な効果がどのように形作られるかを示す。
• 光子に起因するとされるすべての効果（例：光電効果）が、波動方程式と共鳴条件から導けることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子系における電磁放射と共鳴現象は、光子の概念を導入せずに完全に説明可能か？
• RQ2 なぜ定常状態は孤立した状態では物理的に実現不可能であり、電磁放射はその定義にどのような役割を果たすか？
• RQ3 量子系と電磁波の間の共鳴的相互作用が、通常は粒子的性質を持つ光に起因するとされる効果をどのように生じさせるか？
• RQ4 共鳴器が量子系におけるエネルギー交換にどのように影響を与えるか、そしてそれが観測される量子効果とどのように関係するか？
• RQ5 光電効果とコンプトン効果は、離散的量子数を仮定せずに、波に基づく量子力学から導けるか？

主な発見

• 量子力学における定常状態は、孤立した状態では物理的に実現不可能であり、電磁放射の存在に依存して定義される。
• 非定常状態では連続的なエネルギー吸収・放出が可能であり、これは孤立した状態における離散的量子数の概念に反する。
• 量子系と電磁波の間の共鳴がエネルギー移動の主なメカニズムであり、離散的光子吸収とは異なる。
• 光電効果は、波動共鳴と位相一致条件を用いて光子を仮定せずに説明可能である。
• コンプトン効果は、粒子的衝突ではなく、共鳴状態における波動散乱と運動量移動によって生じる。
• 共鳴器は入射波場を変更し、量子放射効果の統計的およびスペクトル的特徴を再現する。