Ясним літнім днем у вікно вашого будинку пробиваються жовті сонячні промені. Ви бачите їх, але практично не відчуваєте. Фізики стверджують, що кожен промінь світла складається з величезної кількості крихітних світлових елементів, які називаються фотонами. Але що таке фотон?
Що таке фотон
Якщо ми відкриємо енциклопедію, то визначення напоготові.
Фотон, від грецького слова “світло” є фундаментальною часткою, найменшою неподільною кількістю (квантом) електромагнітного випромінювання, зокрема — світла. Він складається з поперечних електромагнітних хвиль та переносить електромагнітну взаємодію.
Зрозуміло? Не зовсім, але приблизно. Читаємо далі.
Властивості фотона
Маса фотона та енергія спокою дорівнюють нулю. Фотон не має електричного заряду. Що ж це за частка така, без маси, енергії та заряду? Питання, що викликає у багатьох подив. Вчені навіть вигадували терміни, на кшталт «частки обміну» чи «віртуальної частки». Деякі фізики доходять у своїх твердженнях до того, що фотонів немає зовсім.
Фотони не речовина. Вони містять атомів. У порожньому просторі вони завжди мандрують зі швидкістю світла. Фотони можуть поглинатися чи виділятися матерією.
Фотон частка? Не зовсім. Хвиля? Теж не зовсім. З погляду класичної квантової механіки фотон є квантовою часткою, яка виявляє одночасно властивості частки і хвилі.
Фотон не можна уявити часткою, схожою на маленьку піщинку. Швидше вони є найменшою невидимою одиницею взаємодії із полем. Коли поле обмінюється енергією зі своїм оточенням, то “частка” визначає найменшу кількість енергії та імпульсу, яке може бути передано.
Коли поле взаємодіє із зовнішнім світом, то ця взаємодія може бути локалізована у певній точці простору. У цих випадках “частки” справді поводяться як частинки у загальному розумінні цього слова. Але в інший час, коли поле «поширюються» на великі відстані, в цьому немає нічого схожого на частку. Можна сказати, що фотон існує лише у точці взаємодії. Як кажуть деякі фізики: “Фотон – це клацання, зареєстроване детектором одиничних фотонів”.
Фото: Wikimedia Commons
Історія досліджень світла
Стародавній світ
Сама природа світла, незалежно від того, чи вважаєте ви його часткою або хвилею, вже давно викликає спекотні наукові дебати. Століттями філософи та вчені сперечалися, обговорюючи це питання, яке ледь-ледь вирішили сторіччя тому.
Послідовники однієї з гілок індуїстського філософського напряму Вайшешика, що зародився у VI столітті до нашої ери, досягли разючого інтуїтивного розуміння фізичної природи світла. Як і стародавні греки, вони вірили, що світ заснований на “атомах” землі, вогню, повітря та води. Світло за їхніми уявленнями складалося з подібних атомів, що дуже швидко рухаються, званих теджас. Це дуже близько до сучасної теорії світла та складаючих його фотонів.
Пізніше, десь за 300 років до нашої ери, грецький філософ Евклід здійснив величезний прорив, коли встановив, що світло подорожує прямою. Евклід також описав закони відбиття. Через сторіччя Птолемей їх доповнив, написавши про рефракцію. Але тільки в 1021 закони рефракції були формально зафіксовані в роботі Ібн аль-Хайсама “Книга Оптики”.
Фото: funci.org
“Книга оптики” Ібн аль-Хайсама
Епоха Відродження. Суперечка Гюйгенса та Ньютона
Епоха Відродження ознаменувала собою початок нової епохи наукових спроб пізнати природу світла. Варто відзначити роботу Рене Декарта під назвою «Діоптрика», випущену 1637 року. Там він висловлював ідею, що світло створено з імпульсів, які миттєво поширюються після дотику до частинок ефіру. Пізніше, 1690 року, Християн Гюйгенс публікує «Трактат про світло». Гюйгенс вважає світло хвилями в еластичному просторі, подібними до звукових. Гюйгенс описав, як створити відбиті, рефракційні та розсіяні світлові хвилі, і також пояснив подвійну рефракцію.
На той час вчені розділилися на два табори. Одні вірили, що світло є хвилею. Інші вважали, що світло – це частки, або ж “корпускули”. Армію про «корпускуляристів» очолював ніхто інший, як сам Ісаак Ньютон, якого багато хто вважає найбільшим з усіх учених в історії людства. Ньютон не був у захваті від хвильової теорії. Адже якщо її вважати за істину, це означало, що світло буде здатне занадто далеко поширюватися в тіні. Втім, хоч корпускуляристи й записували Ньютона у свої ряди, його не можна було вважати таким уже суворим прихильником цієї теорії. Великий учений чудово усвідомлював переваги та недоліки обох підходів. Власне, можна сказати, що він висунув компромісну, корпускулярно-хвильову теорію світла.
Відкриття Юнга, Максвелла та Планка. Теорія Айнштайна
Більшість XVIII століття корпускулярна теорія вважалася панівною. Але в 1801 році Томас Юнг виконав свій знаменитий двощілинний експеримент, в ході якого наочно продемонстрував інтерференцію світлових хвиль. У ході проведення цього експерименту пучок світла прямує на непрозорий екран із двома паралельними прорізами. Ззаду встановлюється проєкційний екран, на якому можна побачити цілий ряд інтерференційних смуг, що чергуються. Якби світло складалося з частинок, то на екрані було б лише дві смуги світла. Але якщо припустити, що світло це хвиля, то кожна щілина стає джерелом вторинних хвиль.
Новий прорив стався в 1861 році, коли Джеймс Максвелл висловив експериментальні та теоретичні знання про електрику та магнетизм у 20 рівняннях. У своїй теорії Максвелл припустив, що світло є електромагнітною хвилею. Проте хвильова теорія Максвелла не змогла пояснити всі властивості світла. Вона передбачала, що енергія світлової хвилі має залежати від інтенсивності, не з частоти. Але багато експериментів показали протилежне. Наприклад, деякі хімічні реакції починаються тільки при опроміненні світлом певної частоти, інтенсивність освітлення не відіграє ніякої ролі.
В 1900 Макс Планк продемонстрував, що теплове випромінювання не йде безперервно, а з випромінюванням і поглинанням мінімальних порцій енергії – квантів. Пізніше, 1905 року, Альберт Айнштайн продемонстрував, що це можна застосувати й до світла. Айнштайн використовував термін “квант світла”.
У наш час природа світла знову піддається перегляду. І цього разу питання полягає не в тому, чи частка світло чи хвиля. А в тому, чи є він одночасно і тим, і іншим, чи ні.
Фото: University of Louisville Department of Physics
Двощілинний досвід Юнга
Сучасна теорія світла та фотони
Айнштайн вірив, що світло – це частка (фотон) і потік фотонів – це хвиля. Він був переконаний, що світло складається із частинок. Айнштайн вважав так через відкритий ним фотоелектричний ефект, в якому електрони вилітають з металевої поверхні під впливом світла. Якби світло було хвилею, то такого б не відбувалося.
Айнштайн припустив, що коли електрони речовини стикаються з фотонами, вони отримують їх енергію і вилітають. І чим вище частота коливання фотона, тим більша енергія електрона, що вилітає. І навіть можемо бачити робоче підтвердження теорії Айнштайна — сонячні панелі. Іншими словами, на думку Ейнштейна світло — це потік фотонів, енергія цих фотонів пропорційна частоті відповідного випромінювання, а інтенсивність світла залежить кількості фотонів.
Дослідження Айнштайна недвозначно вказували на тісні взаємини між властивостями та частотою світла як хвилі та властивостями та імпульсом світла як частки. Пізніше, у 1920-ті роки, австрійський фізик Ервін Шредінгер розширив ці уявлення своїм рівнянням квантової хвильової функції.
Багато років по тому, як Айнштайн продемонстрував двоїсту природу світла, швейцарські фізики з Лозанни змогли вперше зафіксувати цю властивість. електронів. Світло подорожувало вздовж цієї найтоншої нитки у двох можливих напрямках, точно як автомобілі на шосе. Коли різноспрямовані хвилі зустрічалися, вони створювали нову хвилю, яка виглядала такою, що стоїть на місці. І ця хвиля, що стоїть, ставала джерелом світла для експерименту. Вчені направили новий потік електронів близько до нанопроводу, використовуючи їх для знімання стоячої хвилі. І за допомогою надшвидкого мікроскопа вони змогли візуалізувати хвилю, що стоїть, яка стала свого роду відбитком хвильової природи світла.
Фото: EPFL
Перша фотографія світла як хвилі та частки
Який вигляд має фотон?
Вчені розмірковували над цим питанням десятиліттями. І нарешті, у 2016 році, польські фізики створили першу у світі голограму поодинокої частки світла. Команда вчених із Варшавського університету створила цю голограму, направивши одночасно два світлові потоки в оптичний розгалужувач, зроблений із кристала кальциту. Оптичний розгалужувач працює подібно до світлофора на перехресті. Кожен фотон може піти прямо, або повернути. Коли фотон один, то кожен зі шляхів рівноймовірний. Але коли фотонів більше, то вони взаємодіють і ймовірність змінюється. Якщо відома хвильова функція одного з фотонів, можна визначити форму другого виходячи з розташування спалахів, що з’являються на детекторі. Отримане зображення трохи схоже на Мальтійський хрест, точно як хвильова функція, передбачена рівнянням Шредінгера.
Фото: FUW
Голограма одиничного фотона
Факти про фотони
- Оригінальну концепцію фотона розробив Альберт Айнштайн. Однак уперше слово фотон для його опису використав Гілберт Льюїс.
- Не тільки світло складається з фотонів, а й вся електромагнітна енергія також. Наприклад, мікрохвилі, радіохвилі або рентгенівські хвилі.
- Фотони завжди електрично нейтральні. У них немає жодного електричного заряду
- Фотони самі по собі не зникають
