Фотон

На 99,99% вся видимая нами Вселенная описывается электромагнитным фундаментальным взаимодействием. Простыми словами – все, что мы наблюдаем, с чем мы сталкиваемся и воспринимаем – проявления электромагнетизма. А значит все эти процессы можно свести к двум частицам – электрону и фотону, как переносчику электромагнитных волн. 

В авангардной физике сейчас даже существуют гипотезы, что абсолютно все частицы и поля можно свести к фотонам. Один из аргументов – при аннигиляции любых частиц образуется пара гамма-квантов, высокоэнергетичных фотонов. Давайте же разберемся, что это за фундаментальная частица, фотон, и какие он имеет свойства?

Немного истории

Средневековье ознаменовалось таким громким и неоднозначным научным диспутом,

как корпускулярно-волновой дуализм света. Ученые того времени никак не могли сойтись – свет представляет собой поток частиц или же волны? И у сторонников первой, и второй идеи были свои аргументы. Ярым сторонником волновой гипотезы был Гюйгенс, а корпускулярной – колосс Ньютон. 

После долгих споров и поломанных копий, первенство взяла корпускулярная гипотеза. Хоть доводов было примерно поровну (возможно, у “волновиков” их было даже больше), к ней склонились из-за огромного авторитета Исаака Ньютона, отца современной физики и вообще – научного метода познания мира.

Триумф корпускулярной гипотезы длился порядка 200 лет, пока досконально не исследовали дифракцию и интерференцию света. А эти явления, как известно, присущи только волнам. В итоге к концу 19-го века первенство опять захватили “волновики” и сомнений уже почти не было.

Пока в начале двадцатого века Альберт Эйнштейн не начал изучать фотоэффект, а Макс Планк – энергию абсолютно черного тела. Ведь если бы свет был волнами – формулы говорили, то энергия абсолютно черного тела равна бесконечности! В результате изучения этих парадоксов и изучения дуализма – родились главные теории современной физики – квантовая механика и теория относительности. 

Сегодня мы знаем, что фотон, как и другие квантовые системы – строго говоря, не является ни частицей, ни волной в нашем узком понимании. Вернее, он проявляет и те и другие свойства, и вопрос – свет волна или частицы, не имеет смысла. Квантовые системы проявляет свойства частиц или волн в зависимости от обстоятельств, это фундаментальное свойство нашей Вселенной.

Физические свойства фотона

Фотон – это бесмассовая частица (не имеет массы покоя), не имеющая электрического заряда, он может существовать только передвигаясь со скоростью света. В квантовой электродинамике фотон относится к калибровочным бозонам (частицы, имеющие целый спин). Простыми словами – он является переносчиком фундаментального электромагнитного поля. Несмотря на это, полная энергия фотона рассчитывается в зависимости от частоты колебаний. Самые низко энергетические частицы имеют маленькую частоту (например, радиоволны), и высоко энергетические – большую частоту (рентгеновское и гамма излучение). Данная зависимость, соответственно, обратно пропорциональна длине волны.

Фотон явно или косвенно участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Кроме электромагнетизма – это сильное (фоторождение пи-мезонов) и гравитационное отклонение света. 

Следует отметить, что фотон стоит особняком от остальных элементарных частиц. Во-первых, это истинно нейтральная незаряженная частица. То есть, он не имеет своего анти-партнера даже гипотетически, принципиально. Во-вторых, нулевая масса фотона породила многолетние споры – так уж она полностью ли она нулевая? В итоге все-таки оказалось, что полностью.

Интересные факты и эксперименты с фотонами

Когда в начале 20 го века начала зарождаться квантовая механика, уже было известно, что в веществе существует так называемое спонтанное излучение. То есть, любой объект, состоящий из атомов и поглощающий свет – точно также излучает его. Механизм спонтанного излучения сформировали Дирак и Эйнштейн. Оказалось, что когда атом поглощает фотон, его электрон переходит на новый уровень, а перейти из этого нового “возбужденного” состояния он может тоже только излучив фотон.

Эйнштейн, работая с этими процессами поглощения и излучения света веществом, заметил очень интересную вещь. Оказывается, если атомы вещества привести в возбужденное энергетическое состояние заранее и облучать их светом – происходит цепное “клонирование” фотонов и формируется вынужденное (индуцированное) излучение. Теоретически его предсказал Эйнштейн, а позже этот механизм смогли реализовать на практике – так появились лазеры и мазеры. 

Кратко механизм можно описать так – если атом в верхнем возбужденном состоянии поглощает фотон, он испускает его в таком же направлении, фазе, поляризации и импульсе, как и поглощенный. В результате образуется “лавина” одинаковых и однонаправленных фотонов – когерентное излучение. 

Как упоминалось выше, интересная ситуация возникла с массой покоя фотона. Несмотря на то, что формулы квантовой механики говорили, что она “обязана” быть равной нулю, сомнения все же оставались. Пока не провели эксперимент, который показал, что если бы масса покоя у фотона была (пусть даже ничтожно мала) – на ночном небе галактики были бы размыты из-за дисперсии света в вакууме.

Еще одну уникальную вещь заметил все тот же гений Эйнштейна. Он предположил, что если бозоны (а фотон, как мы помним, бозон) охладить почти до абсолютного нуля – все частицы перейдут в состояние с минимально возможной энергией и образуется новый вид материи. Этот вид назвали конденсат Бозе-Эйнштейна.

Сейчас уже экспериментально получен конденсат для многих видов бозонов, в том числе и фотонов. Одними из многих присущих ему свойств являются сверхтекучесть и сверхпроводимость. С этими явлениями ученые связывают большие надежды в развитии технологий и науки в целом. 

 

И напоследок рассмотрим такой интересный факт, как вклад фотонов в массу системы. Парадоксально, но безмассовые частицы вносят свою лепту в суммарную массу макроскопического объекта. Ее можно считать энергией молекулярных связей между электронами атомов. Ведь, если система испустит фотон, ее энергия уменьшится, а по формуле Е=мс2, соответственно, и масса.