6.2 Спонтанне випромінювання та походження світла

Головна ／ Розділ 6: Квантова область

I. Один механізм у трьох кроках: Накопичення енергії → Групування понад поріг → Випромінення
Будь-який акт «випускання світла» зводиться до трьох кроків:

• Накопичення (енергетичний запас).
  У картині «філаменти—енергетичне море» Теорії енергетичних філаментів (EFT) атоми, молекули, тверді тіла й плазма відповідають більш тугим або більш вільним конфігураціям напруги. Підігрів, електричне прискорення, зіткнення пучків або хімічні реакції «піднімають» систему і зберігають енергію як запас напруги (збуджений, прискорений, іонізований стани тощо).
• Групування (перетин «порога випуску»).
  Коли внутрішня фаза входить у сприятливу зону, широкосмугові мікрозбурення енергетичного моря надають легкий поштовх. Локальна система перетинає поріг і пакує запас у когерентну оболонку хвилі напруги — утворюється один пакет світла (який у поширенні поводиться як «хвиля»).
  Ключова думка: групування є пороговим. Нижче порога «півпорції» не просочується; на порозі виникає цілий пакет. Ця дискретність на стороні джерела — одна з причин, чому світло приходить порціями.
• Випуск і поширення (виконання «порога шляху»).
  Наскільки далеко дійде пакет, визначають пороги поширення: чи зберігає оболонка когерентність, чи лежить діапазон у вікні прозорості та чи відповідають орієнтація/канал середовищу. Якщо так — пакет мандрує далеко; якщо ні — поглинається, тепловизується або розсіюється поблизу джерела.
  Коли пакет зустрічає приймач (електрон, молекулу, піксель детектора), він також має перетнути поріг замика́ння, щоб зафіксуватися як поглинання чи повторне випромінення. Поріг неподільний, отже приймання теж виглядає «пакет за пакетом».

Одним реченням: поріг групування на джерелі визначає, як випускається; поріг шляху — наскільки далеко дійде; поріг замика́ння на приймачі — як буде прийнято. Цей «ланцюг порогів» поєднує хвильове поширення з частинковим обліком.

II. Чому це може бути «спонтанно» — випромінення без вхідного світла

• Збуджені стани важко утримувати. Підвищена конфігурація «коштовніша» з погляду напруги; коли фаза наближається до «зони випуску», система природно прагне вниз по «схилу».
• Енергетичне море завжди має фоновий шум. Воно ніколи не завмирає; широкосмугові мікрозбурення постійно «стукають у двері».
• «Стукіт» у поріг — іде випуск. Коли збігаються фаза та невеликий поштовх, поріг перетинається, і пакет світла упаковується та випускається.
• Вимушене випромінювання лише знижує поріг. Зовнішня синфазна хвиля зменшує поріг і фазово замикає кілька випусків (лазер).

Отже, спонтанне випромінювання є результатом збігу збудження + фонового шуму + порога випуску, а не «магії з нічого».

III. Основні «шляхи походження світла» (за фізичною причиною)
Кожен клас дотримується тих самих трьох кроків — накопичити – згрупувати – випустити, але різниться тим, звідки береться запас, як перетинається поріг і який канал обирається:

1. Лінійне випромінювання (спуск рівнів в атомах/молекулах):
   • Запас: підвищені електронні конфігурації (збудження або повторне захоплення після іонізації).
   • Групування: фаза входить у зону випуску; фоновий шум штовхає понад поріг; когерентна оболонка «вистрілює»; частота фіксується «внутрішнім ритмом».
   • Випуск: майже ізотропний; ширина лінії визначається часом життя (коротший → ширша) та шорсткістю середовища (зіткнення, нерівномірність полів).
   • Затримане світло (флуоресценція/фосфоресценція): за метастабільних станів «двері» відчиняються пізно; виникає затримка або конкуренція каналів перед випуском.
2. Теплове випромінювання (абсолютно чорне тіло та наближені випадки):
   • Запас: незліченні мікропроцеси в приповерхневих шарах безупинно обмінюються енергією.
   • Групування: безліч дрібних пакетів багаторазово переробляються на «грубих» межах і «почорнюють», тому дискретні акти статистично усереднюються.
   • Випуск: форму спектра визначає температура; майже ізотропний; низька когерентність, однак випромінювальна здатність і поляризація відбивають напругу поверхні та її шорсткість.
3. Випромінювання прискорених зарядів (синхротронне/кривинне та гальмівне):
   • Синхротронне/кривинне: заряджені пучки «змушені повертати» магнітним полем або кривою траєкторією; ландшафт напруги безперервно переписується і «виливає» пакети — сильно спрямовані, сильно поляризовані, широкосмугові.
   • Гальмівне (bremsstrahlung): раптове гальмування в сильному кулонівському полі різко змінює ландшафт; виникає широкосмуговий пакет, зокрема в щільних і високо-Z матеріалах.
4. Рекомбінація/повторне захоплення (вільний електрон падає в «кишеню» йона):
   • Запас: йон захоплює електрон, переводячи систему з «витратної» у «економнішу».
   • Групування: різниця енергій перетинає поріг → випускається пакет.
   • Випуск: виразні серії ліній — класичний «неон» туманностей/плазми.
5. Випромінювання анігіляції (протилежні пари «розв’язуються»):
   • Запас: стійкі пари з протилежними орієнтаціями зустрічаються та розплітають філаменти.
   • Групування → випуск: майже весь запас переходить у два чи більше протилежно спрямованих пакети (вузькосмугових, парно спрямованих), наприклад пара фотонів ~0,511 МеВ.
6. Випромінювання Черенкова (конус фазової швидкості):
   • Запас: заряд рухається в середовищі швидше, ніж фазова швидкість цього середовища.
   • Групування → випуск: уздовж поверхні конуса фаза безперервно «рветься», формується блакитнувате сяйво; кут конуса визначається фазовою швидкістю середовища.
   • Канал: окремий випадок, коли поріг шляху стійко утримується в надфазовому режимі.
7. Нелінійність і змішування (перетворення частоти, сума/різниця, Раман):
   • Запас: зовнішнє оптичне поле постачає енергію; нелінійність середовища перерозподіляє її.
   • Групування → випуск: коли виконані узгодження фаз і відповідний канал, формується пакет на новій частоті (вимушений або спонтанний); спрямованість і когерентність визначають геометрія та напруга матеріалу.

IV. Три «зовнішні прояви» з глибинної картини: ширина лінії, спрямованість, когерентність

• Ширина лінії. Коротший час життя → менше часу «прицілитися в частоту» → ширша лінія; що «галасливіше» середовище (зіткнення, шорсткі поля), то сильніша декогерентність → лінія іще ширша.
• Спрямованість/Поляризація. Зумовлені геометрією біля джерела та градієнтами напруги. Вільні атоми випромінюють спонтанно майже ізотропно; поблизу магнітних полів/колімаційних каналів/міжфазних меж випромінювання стає різко спрямованим і сильно поляризованим.
• Когерентність. Окремий акт випуску від природи когерентний; багаторазова «переробка» веде до теплового світла з низькою когерентністю; за вимушеного, фазово замика́ного випромінювання когерентність може бути дуже високою (лазер).

V. Не кожне збурення стає «світлом далекої дії»: пороги поширення відсіюють

• Недостатня когерентність: оболонка руйнується на джерелі, «згрупована хвиля» не формується.
• Хибне вікно: діапазон потрапляє в область сильного поглинання і «поглинається» поблизу джерела.
• Невідповідний канал: немає коридору з малою імпедансою або орієнтація не збігається, енергія швидко розсіюється.

Світло, що долає далекі відстані, завжди виконує три умови: достатньо цілу оболонку, правильне вікно прозорості та узгоджений канал. Більшість інших збурень «булькають» лише в ближньому полі.

VI. Співвіднесення з чинними теоріями

• Коефіцієнти Ейнштейна для спонтанного/вимушеного випромінювання. Теорія енергетичних філаментів робить «спонтанну ймовірність» відчутною як фоновий стукіт + поріг випуску, а «вимушене» — як фазове замика́ння + зниження порога.
• Квантова електродинаміка (QED). Квантова електродинаміка розглядає світло як кванти поля та точно рахує взаємодії. Теорія енергетичних філаментів дає матеріально-геометричне пояснення через ланцюг порогів групування → порогів шляху → порогів замика́ння: чому випуск дискретний, чому поширення успішне і чому детектування відбувається пакето́во.
• Класична електродинаміка («прискорений заряд випромінює»). Мовою Теорії енергетичних філаментів безперервно переписуваний ландшафт напруги безупинно групує та випромінює.

VII. Підсумовуючи

• Спонтанне випромінювання виникає, коли збуджений стан, легенько підштовхнутий фоновим шумом енергетичного моря, перетинає поріг випуску та зв’язує запас у пакет.
• Чому світло приходить «пакетами»: подвійна дискретність від порога групування на джерелі та порога замика́ння на приймачі.
• Звідки береться світло: лінійне випромінювання, теплове випромінювання, синхротронне/кривинне та гальмівне, рекомбінація, анігіляція, Черенковське випромінювання й нелінійне перетворення — різні «способи подачі» одного й того самого трьохкрокового механізму.
• Ширина лінії – напрям – когерентність спільно визначаються часом життя/середовищем і геометрією/напругою.
• Не кожне збурення стає світлом на великій відстані: потрібні цілісна оболонка, правильне вікно та узгоджений канал.

Фінальна фраза: Світло — це згрупована хвиля в енергетичному морі; дискретність народжується з порогів; джерело задає колір, шлях формує образ, а приймач визначає приймання.