Этот загадочный фотон: свойства, история и современная теория

Ясным летним днем в окно вашего дома пробиваются желтые солнечные лучи. Вы их видите, но практически не ощущаете. Физики утверждают, что каждый луч света состоит из огромного количества крошечных световых элементов, называемых фотонами. Но что же такое фотон?

Что такое фотон

Если мы откроем энциклопедию, то определение наготове.

Фотон, от греческого слова «свет» представляет собой фундаментальную частицу, самое маленькое неделимое количество (квант) электромагнитного излучения, в частности — света. Он состоит из поперечных электромагнитных волн и переносит электромагнитное взаимодействие.

Понятно? Не совсем, но приблизительно. Читаем дальше.

Свойства фотона

Масса фотона и энергия покоя равны нулю. У фотона нет электрического заряда. Что же это за частица такая, без массы, энергии и заряда? Вопрос, вызывающий у многих недоумение. Ученые даже придумывали термины, вроде «частицы обмена» или «виртуальной частицы». Некоторые физики доходят в своих утверждениях до того, что фотонов и нет вовсе.

Фотоны не вещество. Они не содержат атомов. В пустом пространстве они всегда путешествуют со скоростью света. Фотоны могут поглощаться или выделяться материей.

Фотон частица? Не совсем. Волна? Тоже не совсем. С точки зрения классической квантовой механики фотон представляет собой квантовую частицу, которая проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Фотон нельзя представить частицей, похожей на малюсенькую песчинку. Скорее они являются мельчайшей невидимой единицей взаимодействия с полем. Когда поле обменивается энергией со своим окружением, то «частица» определяет самое маленькое количество энергии и импульса, которое может быть передано.

Когда поле взаимодействует с внешним миром, то это взаимодействие может быть локализовано в определенной точке пространства. В этих случаях «частицы» действительно ведут себя как частицы в общем понимании этого слова. Но в другое время возмущения поля «распространяются» на большие расстояния, и в этом нет ничего похожего на частицу. Можно сказать, что фотон существует только в точке взаимодействия. Как говорят некоторые физики: «фотон — это щелчок, зарегистрированный детектором единичных фотонов».

История исследований света

Древний мир

Сама природа света, считаете ли вы его частицей или волной, уже давно вызывает жаркие научные дебаты. Столетиями философы и ученые спорили об этом вопросе, который еле-еле разрешили столетие тому назад.

Последователи одной из ветвей индуистского философского направления Вайшешика, зародившегося в VI веке до нашей эры, достигли поразительного интуитивного понимания физической природы света. Как и древние греки, они верили, что мир основан на «атомах» земли, огня, воздуха и воды. Свет по их представлениям состоял из подобных очень быстро движущихся атомов, называемых теджас. Это очень близко к современной теории света и составляющих его фотонов.

Позднее, где-то за 300 дет до нашей эры, греческий философ Эвклид совершил огромный прорыв, когда установил, что свет путешествует по прямой. Эвклид также описал законы отражения. Столетия спустя Птолемей их дополнил, написав о рефракции. Но только в 1021 году законы рефракции были формально зафиксированы в работе Ибн аль-Хайсама «Книга Оптики».

«Книга оптики» Ибн аль-Хайсама

Эпоха Возрождения. Спор Гюйгенса и Ньютона

Эпоха Возрождения ознаменовала собой начало новой эпохи научных попыток познать природу света. Стоит отметить работу Рене Декарта под названием «Диоптрика», выпущенную в 1637 году. Там он высказывал идею, что свет создан из импульсов, которые мгновенно распространяются после соприкосновения с частицами эфира. Позднее, в 1690 году, Христиан Гюйгенс публикует «Трактат о свете». Гюйгенс считает свет сжимаемыми волнами в эластичном пространстве, подобными звуковым. Гюйгенс описал, како создать отраженные, рефракционные и рассеянные световые волны, и также объяснил двойную рефракцию.

К тому времени ученые разделились на два воюющих лагеря. Одни верили, что свет представляет собой волну. Другие считали, что свет — это частицы, или же «корпускулы». Армию так называемых «корпускуляристов» возглавлял никто иной, как сам Исаак Ньютон, которого многие считают величайшим из всех ученых в истории человечества. Ньютон был не в восторге от волновой теории. Ведь если ее посчитать за истину, то это означало, что свет будет способен слишком далеко распространяться в тени. Впрочем, хотя корпускуляристы и записывали Ньютона в свои ряды, его нельзя было считать таким уж строгим приверженцем этой теории. Великий ученый прекрасно сознавал достоинства и недостатки обоих подходов. По сути, он выдвинул компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света.

Открытия Юнга, Максвелла и Планка. Теория Эйнштейна

Большую часть XVIII столетия корпускулярная теория считалась доминирующей. Но в 1801 Томас Юнг выполнил свой знаменитый двухщелевой опыт, в ходе которого наглядно продемонстрировал интерференцию световых волн. В ходе проведения этого опыта пучок света направляется на непрозрачный экран с двумя параллельными прорезями. Сзади устанавливается проекционный экран, на котором получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Если бы свет состоял из частиц, то на экране были бы только две полосы света. Но если предположить, что свет — это волна, то каждая щель становится источником вторичных волн.

Новый прорыв произошел в 1861 году, когда Джеймс Максвелл выразил экспериментальные и теоретические знания об электричестве и магнетизме в 20 уравнения. В рамках своей теории Максвелл предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. Однако волновая теория Максвелла не смогла объяснить всех свойств света. Она предполагала, что энергия световой волны должна зависеть от интенсивности, но не от частоты. Но многие эксперименты показали обратное. Например, некоторые химические реакции начинаются только при облучении светом определенной частоты, интенсивность же освещения не играет никакой роли.

В 1900 году Макс Планк продемонстрировал, что тепловое излучение не идет непрерывно, а с испусканием и поглощением минимальных порций энергии — квантов. Позднее, в 1905 году, Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что это можно применить и к свету. Эйнштейн использовал термин «квант света».

В наши времена природа света опять подвергается пересмотру. И в этот раз вопрос состоит не в том, частица ли свет или же волна. А в том, является ли он одновременно и тем и другим, или же нет.

Двухщелевой опыт Юнга

Современная теория света и фотоны

Эйнштейн верил, что свет — это частица (фотон) и поток фотонов это волна. Он был убежден, что свет состоит из частиц. Эйнштейн считал так из-за открытого им фотоэлектрического эффекта, в котором электроны вылетают из металлической поверхности под влиянием света. Если бы свет был волной, то такого бы не происходило.

Эйнштейн предположил, что когда электроны вещества сталкиваются с фотонами, то они получают их энергию и вылетают. И чем выше частота колебания фотона, тем больше энергия вылетающего электрона. И мы даже можем видеть рабочее подтверждение теории Эйнштейна — солнечные панели. Иными словами, по мнению Эйнштейна свет — это поток фотонов, энергия этих фотонов пропорциональна частоте соответствующего излучения, а интенсивность света зависит от количества фотонов.

Исследования Эйнштейна недвусмысленно указывали на тесные взаимоотношения между свойствами и частотой света как волны и свойствами и импульсом света как частицы. Позднее, в 1920-е годы, австрийский физик Эрвин Шредингер расширил эти представления своим уравнением квантовой волновой функции.

Спустя более стал лет после того, как Эйнштейн продемонстрировал двойственную природу света, швейцарские физики из Лозанны смогли впервые зафиксировать это свойство, Команда ученых во главе с Фабрицио Карбоном в 2015 году поставила эксперимент, в ходе которого лазер был направлен на нанопроволоку, что привело к вибрации электронов. Свет путешествовал вдоль этой тончайшей нити в двух возможных направлениях, в точности как автомобили на шоссе. Когда разнонаправленные волны встречались, они создавали новую волну, которая выглядела стоящей на месте. И эта стоящая волна становилась источником света для эксперимента. Ученые направили новый поток электронов близко к нанопроводу, используя их для снимка стоячей волны. И с помощью сверхбыстрого микроскопа они смогли визуализировать стоячую волну, которая стала своего рода отпечатком волновой природы света.

Первая фотография света как волны и частицы

Как выглядит фотон?

Ученые размышляли над этим вопросом десятилетиями. И наконец, в 2016 году, польские физики создали первую в мире голограмму одиночной частицы света. Команда ученых из Варшавского университета создала эту голограмму, направив одновременно два световых потока в оптический разветвитель, сделанный из кристалла кальцита. Оптический разветвитель работает подобно светофору на перекрестке. Каждый фотон может либо пойти прямо, либо повернуть. Когда фотон один, то каждый из путей равновероятен. Но когда фотонов больше, то они взаимодействуют, и вероятность меняется. Если известна волновая функция одного из фотонов, то можно определить форму второго исходя из расположения вспышек, появляющихся на детекторе. Получившееся изображение немного похоже на Мальтийский крест, в точности как волновая функция, предсказанная уравнением Шредингера.

Голограмма единичного фотона

Факты о фотонах

• Оригинальную концепцию фотона разработал Альберт Эйнштейн. Однако впервые слово фотон для его описания использовал Гилберт Льюис.
• Не только свет состоит из фотонов, но и вся электромагнитная энергия тоже. Например, микроволны, радиоволны или рентгеновские волны.
• Фотоны всегда электрически нейтральны. У них нет никакого электрического заряда
• Фотоны сами по себе не исчезают