Судя по этому документу в реальности только лазер может приблизиться к монохроматическому лучу с высокой точностью, но и то не идеально
============================
У светового луча никогда не бывает ровно одной частоты. Даже единичный луч света (фотон) никогда не имеет точно одной частоты. Для фотона принципиально невозможно иметь ровно одну частоту. Определенные лучи света, такие как лазерные лучи, могут быть очень близки к одной частоте, но никогда не могут иметь точно одну частоту. Другими словами, каждый физический луч света имеет разброс частот. Когда световой луч имеет очень небольшой разброс частот, мы часто называем его «монохроматическим».
Слово «монохроматический» не означает, что в свете есть ровно одна частота. Скорее, это подразумевает очень узкий диапазон частот, содержащихся в свете, так что для многих практических целей мы можем аппроксимировать свет как содержащий только одну частоту.
Чем меньше частот содержится в световом луче, тем ближе он к ровно одной частоте и тем лучше мы можем использовать свет для исследования материалов. По этой причине разработчики лазеров постоянно работают над тем, чтобы их лазеры излучали свет с еще меньшими частотами. Количество частот, содержащихся в монохроматическом световом луче, характеризуется его «спектральной шириной линии».
Когда вы берете определенный световой луч, измеряете количество энергии, которое он содержит на разных частотах, и наносите на график результаты, вы получаете частотный спектр луча. Солнечный свет имеет очень сложный спектр.
Напротив, спектр монохроматического света представляет собой острый всплеск с центром на доминирующей частоте. Чем уже этот пик, тем меньше частот содержится в свете. Ширина спектральной линии фактически равна ширине этого пика. Таким образом, световой луч с ровно одной частотой будет иметь нулевую спектральную ширину линии, что означает, что пик в его частотном спектре будет бесконечно тонким. Но в реальной жизни такого не может быть.
==============================
Есть много вещей, которые могут способствовать присутствию диапазона частот в монохроматическом световом луче (так называемое «расширение ширины линии»). Шум, например, от тепловых флуктуаций, может способствовать расширению ширины линии. Но даже если убрать все внешние эффекты уширения, есть один эффект, который невозможно устранить: уширение в течение срока службы.
================================
В классической (неквантовой) электродинамике свет описывается как физическая волна в электромагнитном поле. Поскольку электромагнитные волны подчиняются принципу суперпозиции (что означает, что две волны в одной и той же точке складываются линейно, чтобы получить полную волну), они строго подчиняются принципам анализа Фурье. Анализ Фурье - это раздел математики, который занимается представлением любой функции в виде суммы одночастотных волн (синусоидальных волн). Используя анализ Фурье, мы можем математически определить частотный спектр волны непосредственно по ее форме во времени. Или мы можем пойти другим путем и математически определить форму световой волны во времени, используя измеренный частотный спектр. Мы можем математически перемещаться между волновой формой света как функцией от времени и соответствующим ему частотным спектром, который можно рассматривать как форму волны в частотном пространстве. Следовательно, время и частота - сопряженные переменные. Таким образом, анализ Фурье говорит нам, что чем ближе волна приближается к идеальной синусоидальной волне во времени, тем ближе она становится к бесконечно тонкому всплеску в частотном пространстве. Но есть одна сложность: математически совершенная синусоида бесконечно длинна, то есть имеет бесконечное время жизни. Обратите внимание: когда мы говорим о «времени жизни» светового луча в этом контексте, мы не имеем в виду, что свет умрет или превратится во что-то еще. Мы просто имеем в виду время, необходимое для того, чтобы весь луч прошел мимо вас. Луч с бесконечной продолжительностью жизни будет проходить мимо вас в любой момент времени, уходя назад в бесконечное прошлое и вперед в бесконечное будущее.
=============================
Таким образом, анализ Фурье, примененный к классической электродинамике, говорит нам, что для получения светового луча с точно одной частотой нам потребуется световой луч, который имеет бесконечно большую длину. Поскольку в реальном мире не существует бесконечно длинных световых лучей, точно так же одночастотных световых лучей не существует. Луч света, который имеет базовую форму синусоиды, но длится всего 10 секунд, на самом деле не является идеальной синусоидой. Математически это огибающая волнового пакета, содержащая синусоидальную волну. Чтобы построить форму волнового пакета (то есть начальный и конечный края светового луча), вам потребуется более одной частоты. Следовательно, если предположить, что световой луч имеет базовую форму синусоидальной волны в течение всего срока службы, когда он существует, его спектральная ширина в конечном итоге определяется сроком его службы. Другими словами, даже если предположить, что электроны в лазере имеют потенциально бесконечное время перехода (а это не так), вам все равно придется включить лазер в какой-то момент времени и выключить его в какой-то момент времени. Сам факт включения и выключения лазера означает, что создаваемый им световой луч имеет конечный срок службы и, следовательно, ненулевую ширину линии. В конечном итоге возраст Вселенной устанавливает верхний предел времени жизни светового луча и, следовательно, нижний предел его спектральной ширины линии. Возраст Вселенной - это окончательный фундаментальный предел того, сколько частот может содержать световой луч. На практике этот предел недостижим. Время жизни электронов, переходящих в лазер, и, следовательно, время жизни светового луча, который он создает, составляет от микросекунд до наносекунд. Когда все другие эффекты расширения ширины линии устранены, остается только уширение за время жизни, а разброс частот становится «естественной шириной линии».
=================================
Когда мы добавляем принципы современной квантовой электродинамики к вышеизложенному, концепции во многом остаются теми же. Частотно-временные ограничения, наложенные на световой луч с помощью анализа Фурье, становятся принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой механике. Одна из форм принципа неопределенности Гейзенберга:
ΔE*Δt ≥ h/4π
==================================
В приведенном выше уравнении ΔE - это неопределенность или разброс энергии волны, Δt - время жизни волны, а h - постоянная Планка (иногда h / 2π обозначается как hbar). Для фотона его энергия E и частота f тривиально связаны соотношением E = hf. Вставляя это соотношение в приведенное выше уравнение, принцип неопределенности Гейзенберга становится следующим:
Δf*Δt ≥ 1 / 4π
В приведенном выше уравнении Δf - это разброс частот в фотоне (его естественная ширина линии, как обсуждалось выше), а Δt - все еще время жизни волны. Это уравнение квантовой механики говорит нам, по сути, то же самое, что и классическая электродинамика и анализ Фурье: световой луч с нулевой шириной линии должен иметь бесконечное время жизни и, следовательно, не существует.