Фотон

С давних времён было известно о явлениях отражения и преломления света. Сущность этих явлений, их истинная природа официальной науке не ясна до сих пор, всё построено на теории вероятности.

В современной научной литературе фотоном именуется квант электромагнитного поля, предположительно элементарная частица, которая в свете современных теорий представляется как переносчик электромагнитного взаимодействия. Хотя по факту под современным наименованием «фотон» подразумевают всего лишь наблюдаемый процесс – наименьшие «порции», «пучки» света, составляющие волны электромагнитного излучения, в том числе видимый свет, радиоволны, рентгеновские лучи, лазерные импульсы и так далее.

Понятие фотона (от древнегреческого слова «φωτός» (фотос) ‒ «свет») было введено в 1926 году американским химиком Гилбертом Ньютоном Льюисом. Кстати, он считал фотоны «несоздаваемыми и неуничтожимыми» (это подобно истории введения понятия атома химиком Джоном Дальтоном, который основывал свои рассуждения, опираясь на древние знания о неделимых частицах).

Сегодня фотон обозначается в физике символом греческой буквы гамма ‒ γ. Такое обозначение связано с открытием в 1900 году гамма-излучения, состоящего из высокоэнергетических фотонов. Оно было сделано французским физиком Полем Вилларом в процессе исследования излучения радия в сильном магнитном поле. Впоследствии английский физик Эрнест Резерфорд, наименовавший ранее два типа радиации урана альфа- и бета-лучами, установил, что новый вид открытого Вилларом излучения обладает большой проникающей спо­собностью. Он дал наименование данному излучению «гамма-лучи».

«В научной статье в 1926 году Гилберт Льюис пишет: «Выражаю гипотезу, что здесь мы имеем дело с новым типом атома, неиндифицируемым объектом, несоздаваемым и неразрушаемым, который выступает в качестве носителя энергии излучения и, после поглощения, сохраняется в качестве основного компонента поглотившего его атома до тех пор пока не выходит снова, имея новое количество энергии… Беру на себя смелость предложить для этого гипотетического нового атома, который не является светом, но играет важную роль во всех процессах излучения, название "фотон"». Интересен тот факт, что Гилберт Льюис считал фотон именно «переносчиком энергии излучения/радиации», а не самой этой энергией (ныне физики рассматривают фотон как переносчика электромагнитной силы). С тех пор слово «фотон» быстро вошло в обиход.

Литература: Lewis, Gilbert N. The conservation of photons Nature 118, 1926. P. 874–875; Lewis, Gilbert N. The nature of light. Proceedings of the National Academy of Science 12, 1926. P. 22-29; Roychoudhuri, Chandra, Kracklauer, A.F., Creath, Kathy. The Nature of Light: What is a Photon? CRC Press, 2008..

Открытие фотона значительно стимулировало развитие теоретической и экспериментальной физики, в том числе физической химии (фотохимии), квантовой механики и т.д. Люди стали приблизительно понимать и использовать проявления таких физических явлений, как электрический ток, поток фотонов. Но знания о мельчайшей структуре этих явлений приблизительны, потому что до сих пор официальная наука не может объяснить, из чего именно состоит тот же электрон или сам фотон (хотя эти знания об истинной природе микромира были в глубокой древности).

Природа фотона остается загадкой для учёных. Но даже опираясь на те результаты исследований, которые зафиксированы в процессе наблюдения, благодаря экспериментам, были сделаны открытия, которые нашли широкое применение в жизни общества. Изобретены разнообразные технические устройства, принцип работы которых связан с использованием фотонов. Например, компьютерная томография, квантовый генератор (мазер), лазер и так далее. Лазер нашёл самое широкое практическое применение в промышленности, медицине, быту, начиная от создания высокоточных физических приборов ‒ сейсмографов, гравиметров, лазерных скальпелей, применяемых в микрохирургии, до создания технологических процессов сварки, резки металлов, бытовых лазерных принтеров и так далее. Фотоны используются и в спектральном анализе (изучением спектров электромагнитного излучения атомов занимается атомная спектроскопия). Благодаря изучению фотонов учёные выяснили, что атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты. Именно на этих частотах они излучают и поглощают свет (фотоны). То есть подобно тому, как каждый человек имеет индивидуальные отпечатки пальцев, так и каждый химический элемент имеет свой уникальный спектр излучения и поглощения. И всё это только начало изучения такой уникальной структуры, как фотон, принимающей активное участие в различных силовых процессах и взаимодействиях в природе.

Вся теоретическая физика элементарных частиц построена на теории вероятности. Однако анализ объективных оснований теории вероятности активно обсуждался разве что в период создания квантовой механики. Сейчас природу вероятности физики обсуждают не так живо. С одной стороны все признают, что она входит в основания микропроцессов, а с другой стороны ‒ в ходе самих исследований о ней мало что говорится, словно она играет второстепенную роль. Особенно это касается физики элементарных частиц, где при характеристиках внутренних состояний и свойств элементарных частиц представления о вероятности по большей части замалчиваются. Как сказал один из создателей квантовой электродинамики американский учёный Ричард Фейнман: «Сколько бы мы ни старались изобрести разумную теорию, объясняющую, как фотон «решает», проходить ли ему сквозь стекло или отскакивать назад, предсказать, как будет двигаться данный фотон, невозможно. Вот условие, которое приводит к различным результатам: одинаковые фотоны летят в одном направлении к одному куску стекла. Мы не можем предсказать, попадёт ли данный фотон в А или в В. Все, что мы можем предсказать – это то, что из 100 вылетевших фотонов в среднем 4 отразятся от поверхности. Значит ли это, что физику, науку великой точности, свели к тому, чтобы вычислять вероятность события, и не предсказывать точно, что произойдёт? Да. Так оно и есть». Кстати говоря, упомянутая задача о фотонах до сих пор остаётся неразрешённым вопросом разве что для официальной науки. Но для учёных ALLATRA SCIENCE он давно решён.

Литература: Философские проблемы физики элементарных частиц (тридцать лет спустя). Отв. Ред. Ю.Б. Молчанов. М., 1994; Фейнман Р. КЭД ‒ странная теория света и вещества. М., 1988.

Но что на самом деле представляют собой фотон и электрон, из чего именно состоят эти структуры? За счёт какой своей составляющей фотон стабилен и участвует в силовых взаимодействиях? Почему эта так называемая в современной физике «безмассовая элементарная частица» не имеет электрического заряда? Почему фотон является одной из наименьших и наиболее распространённых элементарных частиц во Вселенной? Сейчас на эти вопросы официальная наука ответить не может, так как фотон до сих пор, несмотря на богатый накопленный экспериментальный материал, остаётся для неё загадочной элементарной частицей. Но данную ситуацию легко исправить. Зная основы ИСКОННОЙ ФИЗИКИ АЛЛАТРА, ответы на эти вопросы сможет найти даже школьник.

В ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОН, если его рассматривать в качестве истинной элементарной частицы, состоит из фантомных частичек По. Фотон может существовать в двух состояниях: ФОТОН-3 (γ3) и ФОТОН-4 (γ4). Большинство фотонов состоят из 3-х фантомных частичек По (фотон-3). Однако каждый из этих фотонов при определённых условиях может преобразовываться в фотон, состоящий из 4-х фантомных частичек По (фотон-4), а фотон-4 преобразовываться в фотон-3. Соответственно своему состоянию, фотон может выполнять либо функции силовой частицы (фотон-3), либо «информационной» частицы (фотон-4), то есть в последнем случае выступать в качестве носителя информации об элементарной частице, с которой происходит его взаимодействие. Примечательно, что у фотона, двигающегося по эзоосмической решётке, спиралевидное вращение его фантомных частичек По более ускоренное, чем у фантомных частичек По многих других элементарных частиц. Благодаря таким ускоренным «завихрениям» структуры фотона его скорость движения больше по сравнению со скоростью движения многих других элементарных частиц.

Фотон-3 и фотон-4 двигаются, как правило, в одном энергетическом потоке, причём фотонов-3 в нём всегда многократно больше, чем фотонов-4. Например, от солнца идёт поток фотонов, где большинство из них ‒ это силовые фотоны (фотоны-3), ответственные за энергетические, силовые взаимодействия, но среди них есть и информационные фотоны (фотоны-4), несущие информацию о солнце. Потоки фотонов-3 не несут тепло, они его создают при разрушении частичек, с которыми сталкиваются. Чем больше поток фотонов-3, направленных под прямым углом к материальному объекту, тем больше образуется тепла. Благодаря информационным фотонам (фотонам-4) человек, например, видит глазами свет от солнца и само солнце, а благодаря силовым фотонам (фотонам-3) он чувствует на себе тепло от солнца и так далее. То есть благодаря фотонам-3 обеспечивается энергетический поток (а также различные силовые взаимодействия в материальном мире), а благодаря фотонам-4 обеспечивается доставка информации в данном энергетическом потоке (то есть участие в процессах, позволяющим, например, человеку видеть окружающий мир).

ФОТОН-3 состоит из трёх фантомных частичек По, а точнее - из двух фантомных частичек По, соединённых между собой одной аллатовской фантомной частичкой По . Именно вхождение в состав аллатовской фантомной частички По делает фотон уникальным, стабильным, а также активным участником силовых взаимодействий. Кстати, аллатовская фантомная частичка По никогда не будет находиться на месте первой головной фантомной частички По в любой элементарной частице, которая имеет её в своём составе . Она будет всегда расположена внутри элементарной частицы между фантомными частичками По, как силовая основа данной частицы.

Фотон-3 может преобразовываться в фотон-4, а фотон-4 переходить в состояние фотона-3. Как происходит этот процесс? Фотон (имеются в виду и фотон-3, и фотон-4) имеет уникальное строение, которое отличает его от любой другой элементарной частицы. В частности, он имеет необычную первую (головную) фантомную частичку По. Если в эзоосмической ячейке возникают соответствующие условия, при которых в неё одновременно входят с разных сторон две головные фантомные частички По (одна из которых принадлежит фотону, а вторая ‒ другой элементарной частице) и происходит их максимальное сближение, то совершается следующий процесс.

Головная фантомная частичка По фотона за счёт своей большей скорости относительно скорости движения головной фантомной частички По другой элементарной частицы быстро проворачивается. Таким образом, она позволяет идущей за ней силовой частичке фотона (аллатовской фантомной частичке По) захватить у встречной элементарной частицы её головную фантомную частичку По, которая является носителем всей информации об этой элементарной частице.

Фотон-3, захватывая головную фантомную частичку По другой элементарной частицы, присоединяет эту информационную частичку к своей структуре. В итоге фотон-3 преобразуется в фотон-4, состоящий из четырёх фантомных частичек По. При этом та элементарная частица, у которой была изъята головная фантомная частичка По, претерпевает разрушение, вследствие которого высвобождается энергия. В целом, такой процесс захвата информации фотоном происходит только в случае, если через данную эзоосмическую ячейку проходит головная фантомная частичка По элементарной частицы, а не другие фантомные частички По, входящие в состав элементарной частицы.

Когда фотон-3 выбивает головную фантомную частичку По из элементарной частички, он превращается из «захватчика» в «транспортёра», то есть переносчика информации (фотон-4). Возвращаясь к ассоциативному примеру с поездом и вагонами, это подобно тому, как поезд из трёх вагонов, двигаясь на полном ходу, захватывает у встречного поезда локомотив. Таким образом, он становится поездом с двумя локомотивами, одним дипломатическим вагоном и одним простым вагоном до тех пор, пока не возникнут условия, при которых он сможет освободиться от захваченного в свой состав локомотива. Оставшиеся вагоны встречного поезда, лишившись локомотива, расформировываются в депо (в эзоосмической мембране).

ФОТОН-4 состоит из четырёх фантомных частичек По : уникальной головной фантомной частички По, «чужой» головной фантомной частички По (информационной частички), аллатовской фантомной частички По и завершающей фантомной частички По. Именно вхождение этой «чужой» головной фантомной частички По в состав фотона-4 делает его информационно наполненным , то есть несущим информацию о данной («чужой») элементарной частице. А в целом, когда таких фотонов много ‒ они несут информацию о том или ином предмете, объекте, явлении и так далее. Фотон существует в таком своём состоянии (фотон-4) до тех пор, пока вновь не возникают подобные условия в эзоосмической ячейке, при которых он освобождается от «чужой» головной фантомной частички По, то есть происходит процесс «информационного сброса». При этом головная фантомная частичка По фотона вновь проворачивается, и благодаря участию в этом процессе аллатовской силовой частички По, происходит выталкивание «чужой» головной фантомной частички По в пределы собственного септонного поля встречной головной фантомной частички По элементарной частицы. Сам же фотон, преобразуясь в состояние фотон-3, уходит из эзоосмической ячейки. Освобождённая головная фантомная частичка По сбрасывает информацию в собственное септонное поле реальной частички По и проходящей головной фантомной частички По элементарной частицы (тем самым обогащая их внутренней потенциал новой информацией) и безвозвратно уходит в эзоосмическую мембрану.

После сброса (передачи) информационной «чужой» головной фантомной частички По фотон-4 снова превращается в фотон-3, то есть переходит в своё изначальное сос­тояние, в котором ему присуща многовариабельность различных действий. Например, фотон-3 может участвовать в других взаимодействиях, входить в состав элементарных частиц и так далее. Он может исчезнуть (благодаря эзоосмической мембране) в одном месте и появиться в ином месте, то есть осуществить практически мгновенный переход в эзоосмической решётке на большие («космические») расстояния. Конечно, это всего лишь краткая информация о фотоне, предназначенная для первичного ознакомления. Помимо этого, есть много уникальной информации, полученной в ходе исследований, касательно закономерностей и парадоксов поведения фотона в различных средах, особенностей его волновых свойств, взаимодействий с другими элементарными частицами, алгоритмов управления поведением фотона и многое другое.

В целом, обобщая вышеизложенные сведения, можно сказать, что основная функция фотона-3 ‒ энергетические взаимодействия, которые в основном связаны с процессом разрушения материи и высвобождения энергии, а фотона-4 ‒ информационные взаимодействия, связанные с переносом информации. Зная функции и особенности фотона, принципы его взаимодействия с другими элементарными частицами и особенно септонным полем, можно понять многие процессы макро- и микромира, в которых он принимает непосредственное участие. Благодаря этим знаниям можно найти ответы на многие вопросы. Например, как человек в действительности воспринимает зрительную информацию? Что такое на самом деле есть тень, тепло или холод, если рассматривать эти процессы на уровне эзоосмической решётки? Вследствие каких первопричин происходит разрушение вещества, которое находится под длительным воздействием солнечных лучей? Каковы особенности связи фотона с гравитационным и электромагнитным полем? И многое другое. Знания о фотоне помогают понять первопричины того или иного действия, свершаемого благодаря участию в нём фотона, и выполнить более точные расчёты фотонных взаимодействий без использования дорогостоящего оборудования и техники.

В одном из ключевых философских трактатов даосизма под названием «Ле-цзы» (I‒III вв. н.э.) есть такие строки об абсолюте, о том, как получивший имя мир происходит из неименованного абсолютного целого.

«Вначале была Великая Простота,
потом появилось Великое Начало,
затем появилась Великая Основа,
после чего появилась Великая Вещественность.
В Великой Простоте ещё не было дыхания.
Великое Начало было началом дыхания,
Великая Основа была началом всех форм,
Великая Вещественность – начало всех вещей.

Дыхание, форма и вещь ещё не разделились, что и называется Хаосом. Всматривайся – и не увидишь, вслушивайся в него – и не услышишь. Название этому – «Простота». Простое не имеет ни формы, ни границ. Претерпев превращение, оно стало Единым, а из Единого – Семью, Семь же превратилось в Девять. На этом превращения исчерпываются и снова приходят к Единому. А это Единое есть начало превращений всех форм. Чистое и лёгкое поднялось вверх и образовало Небо, грязное и тяжёлое опустилось вниз и образовало Землю, а дыхание, пронизавшее то и другое, породило человека. Вот так Небеса и Земля заключили в себе семя всего живого, и всё сущее обрело жизнь».

В древнекитайском трактате «Дао Дэ Цзин» (глава 42) есть такие строки: «Дао произвело одно. Одно – два. Два – три. А три – все вещи. Всякая вещь носит на себе инь и заключает в себе янь».

Литература: Чжуан-цзы. Ле-цзы. Перевод Малявина В. В. Философское наследие. В 3-х томах. - М: Мысль, 1995; Дао-Дэ цзин: Книга о Пути жизни / сост. и перевод В. В. Малявина. – М.: Феория, 2010; Werner, Edward T.C. Myths and Legends of China. George G. Harrap & Co. Ltd. London Bombay Sydney, 1922.

Без учёта квантования, а объектам, излучающим и поглощающим свет, приписывались квантовые свойства (см., например, теорию Бора). Несмотря на то, что полуклассические модели оказали влияние на развитие квантовой механики (о чём в частности свидетельствует то, что некоторые их положения и даже следствия явным образом входят в современные квантовые теории ), эксперименты подтвердили правоту Эйнштейна о квантовой природе света (см., например, фотоэффект). Следует отметить, что квантование энергии электромагнитного излучения не является исключением. В квантовой теории значения многих физических величин являются дискретными (квантованными). Примерами таких величин являются: угловой момент , спин и энергия связанных систем.

Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Например, были изобретены мазер , лазер , открыто явление конденсации Бозе - Эйнштейна , сформулирована квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В современной Стандартной модели физики элементарных частиц существование фотонов является следствием того, что физические законы инвариантны относительно локальной калибровочной симметрии в любой точке пространства-времени (см. более подробное описание ниже в разделе ). Этой же симметрией определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд , масса и спин .

История названия и обозначения

Фотон изначально был назван Альбертом Эйнштейном «световым квантом» (нем. das Lichtquant ). Современное название, которое фотон получил от греческого слова φῶς , «phōs» («свет»), было введено в химиком Гилбертом Н. Льюисом , опубликовавшим свою теорию , в которой фотоны считались «несоздаваемыми и неуничтожимыми». Хотя теория Льюиса не нашла своего подтверждения, находясь в противоречии с экспериментальными данными, новое название для квантов электромагнитного поля стало использоваться многими физиками.

История развития концепции фотона

В большинстве теорий, разработанных до XVIII века , свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году. В ней учёный представлял световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии». Так как подобные модели не смогли объяснить такие явления как рефракция , дифракция и двойное лучепреломление , была предложена волновая теория света , основателями которой стали Рене Декарт (1637) , Роберт Гук (1665) , и Христиан Гюйгенс (1678) . Однако модели, основанные на идее дискретного строения света, оставались доминирующими, во многом из-за влияния авторитета Исаака Ньютона , придерживавшегося этих теорий. В начале XIX века Томас Юнг и Огюстен Френель наглядно продемонстрировали в своих опытах явления интерференции и дифракции света, после чего примерно к 1850 году волновые модели стали общепринятыми. В 1865 году Джеймс Максвелл предположил в рамках своей теории , что свет - это электромагнитная волна . В 1888 году эта гипотеза была подтверждена экспериментально Генрихом Герцем , обнаружившим радиоволны .

Исследования свойств излучения абсолютно чёрного тела , проходившие в течение почти сорока лет (1860-1900) , завершились выдвижением гипотезы Макса Планка о том, что энергия любой системы при излучении или поглощении электромагнитного излучения частоты может измениться только на величину, кратную энергии кванта (то есть дискретно), где - постоянная Планка . Альбертом Эйнштейном было показано, что такое представление о квантовании энергии должно быть принято, чтобы объяснить наблюдаемое тепловое равновесие между веществом и электромагнитным излучением. На этой же основе им был теоретически описан фотоэлектрический эффект , за эту работу Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике . Напротив, теория Максвелла допускает, что электромагнитное излучение может обладать какой угодно энергией (то есть не квантуется).

Многие физики предполагали изначально, что квантование энергии есть результат какого-то неизвестного свойства материи, поглощающей и излучающей электромагнитные волны. В 1905 году Эйнштейн предположил, что квантование энергии - свойство самого электромагнитного излучения. Признавая справедливость теории Максвелла, Эйнштейн указал, что многие аномальные в то время результаты экспериментов могут быть объяснены, если энергию световой волны локализовать в подобные частицам кванты, которые движутся независимо друг от друга, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве. В и 1916 годах , Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом . Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном , за эту работу он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году . Однако вопрос согласования волновой теории Максвелла с экспериментальным обоснованием дискретной природы света оставался открытым. Ряд авторов утверждали, что излучение и поглощение электромагнитных волн происходит порциями, квантами, однако процессы распространения волны непрерывны. Квантовый характер явлений излучения и поглощения доказывает наличие у микросистем, в том числе у электромагнитного поля, отдельных энергетических уровней и невозможность микросистемы обладать произвольной величиной энергии. Корпускулярные представления хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми закономерностями излучения и поглощения электромагнитных волн, в частности, с закономерностями теплового излучения и фотоэффекта. Однако по их мнению экспериментальные данные свидетельствуют, что квантовые свойства электромагнитной волны не проявляются при распространении, рассеянии, дифракции электромагнитных волн, если они не сопровождаются потерей энергии. В процессах распространения электромагнитная волна не локализована в определённой точке пространства, ведёт себя как единое целое и описывается уравнениями Максвелла. Решение было найдено в рамках квантовой электродинамики (см. раздел корпускулярно-волновой дуализм ниже) и её преемницы Стандартной модели .

В соответствии с квантовой электродинамикой электромагнитное поле в объёме куба с длиной ребра d можно представить в виде плоских стоячих волн, сферических волн или плоских бегущих волн . Объём при этом считается заполненным фотонами с распределением энергии , где n - целое число. Взаимодействие фотонов с веществом приводит к изменению числа фотонов n на (излучение или поглощение).

Попытки сохранить теорию Максвелла

Как упомянуто в нобелевской лекции Роберта Милликена , предсказания, сделанные в 1905 году Эйнштейном, были проверены экспериментально несколькими независимыми способами в первые два десятилетия XX века . Тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона идея квантовой природы электромагнитного излучения не была среди физиков общепринятой (см., например, Нобелевские лекции Вильгельма Вина , Макса Планка и Роберта Милликена ), что было связано с успехами волновой теории света Максвелла . Некоторые физики считали, что квантование энергии в процессах излучения и поглощения света являлось следствием неких свойств вещества, излучающего или поглощающего свет. Нильс Бор , Арнольд Зоммерфельд и другие разрабатывали модели атома с дискретными уровнями энергии, которые объясняли наличие спектров излучения и поглощения у атомов и, более того, находились в прекрасном согласии с наблюдаемым спектром водорода (правда, получить спектры других атомов в этих моделях не удавалось) . Только рассеяние фотона свободным электроном, не имеющим (по тогдашним представлениям) внутренней структуры, а, соответственно, и энергетических уровней, заставило многих физиков признать квантовую природу света.

Однако даже после экспериментов Комптона, Бор , Хендрик Крамерс и Джон Слейтер предприняли последнюю попытку спасти классическую максвелловскую волновую модель света, без учёта его квантования, опубликовав так называемую БКС теорию . Для объяснения экспериментальных данных ими были предложены две гипотезы :

1. Энергия и импульс сохраняются лишь статистически (в среднем) во взаимодействиях между материей и излучением. В отдельных элементарных процессах, таких как излучение и поглощение, законы сохранения энергии и импульса не выполняются.
   Это предположение позволило согласовать ступенчатость изменения энергии атома (переходы между энергетическими уровнями) с непрерывностью изменения энергии самого излучения.
2. Механизм излучения носит специфический характер. В частности, спонтанное излучение рассматривалось как излучение, стимулированное «виртуальным» электромагнитным полем.

Однако эксперименты Комптона показали, что энергия и импульс сохраняются точно в элементарных процессах, а также что его расчёты изменения частоты падающего фотона в комптоновском рассеянии выполняются с точностью до 11 знаков. После этого Бор и его соавторы удостоили свою модель «благородных похорон, насколько это было возможно» . Тем не менее крах БКС модели вдохновил Вернера Гейзенберга на создание матричной механики .

Одним из экспериментов, подтверждающим квантование поглощения света, стал опыт Вальтера Боте , проведённый им в 1925 году . В этом опыте тонкая металлическая фольга облучалась рентгеновским излучением низкой интенсивности. При этом фольга сама становилась источником слабого вторичного излучения. Исходя из классических волновых представлений, это излучение должно распределяться в пространстве равномерно во всех направлениях. В этом случае два счётчика, находившиеся слева и справа от фольги, должны были фиксировать его одновременно. Однако результат опыта оказался прямо противоположным: излучение фиксировалось либо правым, либо левым счётчиком и никогда обоими одновременно. Следовательно, поглощение идёт отдельными квантами. Опыт, таким образом, подтвердил исходное положение фотонной теории излучения, и стал, тем самым, ещё одним экспериментальным доказательством квантовых свойств электромагнитного излучения .

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что эквивалентно, от длины волны ):

и, следовательно, величина импульса есть:

где - постоянная Планка , равная ; - волновой вектор и - его величина (волновое число); - угловая частота . Волновой вектор указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.

Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление - это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости

Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона (закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения. Падающие гамма-лучи (показаны зелёным) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа θ. Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δx , которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики :

где - апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

Модель фотонного газа Бозе - Эйнштейна

Квантовая статистика, применяемая к системам частиц с целочисленным спином , была предложена в 1924 году индийским физиком Ш. Бозе для квантов света и развита А. Эйнштейном для всех бозонов. Электромагнитное излучение внутри некоторого объёма можно рассматривать как идеальный газ , состоящий из совокупности фотонов, практически не взаимодействующих друг с другом. Термодинамическое равновесие этого фотонного газа достигается путём взаимодействия со стенками полости. Оно наступает тогда, когда стенки излучают в единицу времени столько же фотонов, сколько поглощают. При этом внутри объёма устанавливается определённое распределение частиц по энергиям. Бозе получил планковский закон излучения абсолютно чёрного тела , вообще не используя электродинамику , а просто модифицировав подсчёт квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве . В частности, было установлено, что число фотонов в абсолютно чёрной полости, энергия которых приходится на интервал от до равно :

где - объём полости, - постоянная Дирака , - температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ : объёмом , температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление на стенки, так как фотоны обладают импульсом. Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

где - постоянная Стефана - Больцмана .

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия» , сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера . В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе - Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия . В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна , а фермионы , например, электроны , - статистике Ферми - Дирака .

Спонтанное и вынужденное излучение

Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость поглощения фотонов частоты и перехода атомов с энергетического уровня на вышележащий уровень с энергией пропорциональна числу атомов с энергией и спектральной плотности излучения для окружающих фотонов той же частоты:

Здесь - константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции , характеризующая излучение системой фотонов частоты и переход атомов с вышележащего уровня энергии на нижележащий с энергией , равняется:

Здесь - коэффициент спонтанного излучения , - коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии и в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины и должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана , имеет место отношение:

где - кратность вырождения энергетических уровней и , - энергия этих уровней, - постоянная Больцмана , - температура системы. Из сказанного следует вывод, что и:

Коэффициенты и называют коэффициентами Эйнштейна.

Эйнштейну не удалось полностью объяснить все эти уравнения, но он считал, что в будущем станет возможным рассчитать коэффициенты , и , когда «механика и электродинамика будут изменены так, чтобы соответствовать квантовой гипотезе». И это действительно произошло. В 1926 году Поль Дирак получил константу , используя полуклассический подход , а в успешно нашёл все эти константы, исходя из основополагающих принципов квантовой теории . Эта работа стала фундаментом квантовой электродинамики , то есть теории квантования электромагнитного поля . Подход Дирака, названные методом вторичного квантования , стал одним из основных методов квантовой теории поля . Следует отметить ещё раз, что в ранней квантовой механике только частицы вещества, а не электромагнитное поле, трактовались как квантовомеханические.

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица. Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности. Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.

Вторичное квантование

Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц , описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов , увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.

В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние , тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

где представляет собой состояние с числом фотонов находящихся в моде Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде записывается так:

Фотон как калибровочный бозон

Основная статья: Калибровочная теория

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную , как в случае с энергией или лагранжианом .

В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов , осуществляющих электрослабое взаимодействие . Остальные три (W + , W − и Z 0) называются векторными бозонами и отвечают только за слабое взаимодействие . В отличие от фотона у векторных бозонов есть масса , они обязаны быть массивными вследствие того, что слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях, <10 −15 см. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения. Выход из этого затруднения был предложен Питером Хиггсом , теоретически описавшим явление спонтанного нарушение электрослабой симметрии . Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения. Объединение фотона с W и Z калибровочными бозонами в электрослабом взаимодействии осуществили Шелдон Ли Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг , за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году . Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (так называемое «великое объединение »). Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона , до сих пор не были обнаружены экспериментально.

Вклад фотонов в массу системы

Фотоны в веществе

Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем - скорость света в вакууме . Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра , излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца . Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания . Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами , подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона . Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу , из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью . Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама - Бриллюэна .

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света , даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты , состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей . С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией . При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения . При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью - возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм /).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами , атомами или молекулами , спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями . Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином , в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека , как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса . Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора ; такие процессы являются объектом изучения фотохимии .

Техническое применение

Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже для иллюстрации приведены лишь некоторые из них.

Важным техническим устройством, использующим фотоны, является лазер . Его работа основана на явлении вынужденного излучения , рассмотренного выше. Лазеры применяются во многих областях технологии. Технологические процессы (сварка , резка и плавление металлов) осуществляются, главным образом, газовыми лазерами, обладающими высокой средней мощностью . В металлургии они позволяют получить сверхчистые металлы. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов , гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой (например, лазер на красителях) произвели революцию в спектроскопии , существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов. Лазеры также применяются в медицине как бескровные скальпели , при лечении глазных и кожных заболеваний. Лазерная локация способствовала уточнению систем космической навигации , расширила знания об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия, существенно уточнила характеристики движения Луны и планеты Венера по сравнению с астрономическими данными. С использованием лазеров пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза . Лазеры широко используются в быту (лазерные принтеры , DVD , лазерные указки и др.).

Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе . Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты , в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.

По применяемым методам различают несколько типов спектрального анализа :

1. Эмиссионный , использующий спектры излучения атомов, реже - молекул. Этот вид анализа предполагает сжигание некоторого количества пробы в пламени газовой горелки , электрической дуге постоянного или переменного тока , электрической высоковольтной искре . Частным случаем эмиссионного анализа является люминесцентный анализ.
2. Абсорбционный , использующий спектр поглощения, главным образом молекул, но может быть применён и для атомов. Здесь пробу целиком переводят в газообразное состояние и пропускают через неё свет от источника сплошного излучения. На выходе на фоне сплошного спектра наблюдается спектр поглощения испарённого вещества.
3. Рентгеновский , использующий рентгеновские спектры атомов, а также дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения его структуры. Главное достоинство метода в том, что рентгеновские спектры содержат немного линий, что значительно облегчает изучение состава пробы. Среди недостатков можно выделить невысокую чувствительность и сложность аппаратуры.

В качественном спектральном анализе определяется только состав пробы без указания на количественное соотношение компонентов. Последняя проблема решается в количественном спектральном анализе, на основании того, что интенсивность линий в спектре зависит от содержания соответствующего вещества в исследуемой пробе. Таким образом по спектру вещества может быть определён его химический состав . Спектральный анализ - чувствительный метод, он широко применяется в аналитической химии , астрофизике , металлургии , машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.

Последние исследования

В настоящее время считается, что свойства фотонов хорошо поняты с точки зрения теории. Стандартная модель рассматривает фотоны как калибровочные бозоны со спином, равным 1, с нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом (последнее следует, в частности, из локальной унитарной симметрии U(1) и из опытов по электромагнитному взаимодействию). Однако физики продолжают искать несоответствия между экспериментом и положениями Стандартной модели. Постоянно повышается точность проводимых экспериментов по определению массы и заряда фотонов. Обнаружение хоть сколько-нибудь малой величины заряда или массы у фотонов нанесло бы серьёзный удар по Стандартной модели. Все эксперименты, проведённые до сих пор, показывают, что у фотонов нет ни заряда , ни массы покоя Наибольшая точность, с которой удалось измерить заряд фотона равна 5·10 −52 Кл (или 3·10 −33 ); для массы - 1,1·10 −52 кг (6·10 −17 эВ / 2 или 1·10 −22 ).

Многие современные исследования посвящены применению фотонов в области квантовой оптики . Фотоны кажутся подходящими частицами для создания на их основе сверхпроизводительных квантовых компьютеров . Изучение квантовой запутанности и связанной с ней квантовой телепортации также является приоритетным направлением современных исследований. Кроме этого идёт изучение нелинейных оптических процессов и систем , в частности, явления двухфотонного поглощения, синфазной модуляции и оптических параметрических осцилляторов. Однако подобные явления и системы преимущественно не требуют использования в них именно фотонов. Они часто могут быть смоделированы путём рассмотрения атомов в качестве нелинейных осцилляторов. Нелинейный оптический процесс спонтанного параметрического рассеяния часто используется для создания перепутанных состояний фотонов . Наконец, фотоны используются в оптической коммуникации, в том числе в

Фотон. Строение фотона. Принцип перемещения.

Часть 1. Исходные данные.

Часть 1. Исходные данные.

1.1. Фотон - это элементарная частица, квант электромагнитного излучения.

1.2. Фотон не может быть разделен на несколько частей и не распадается спонтанно в вакууме.

1.3. Фотон является истинно электронейтральной частицей. Скорость перемещения (движения) фотона в вакууме равна «с».

1.4. Свет представляет собой поток локализованных частиц - фотонов.

1.5 . Фотоны излучаются во многих природных процессах, например: при движении заряженных частиц с ускорением (тормозное, синхротронное, циклотронное излучения) или при переходе электрона из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией. Это происходит в результате основного фундаментального превращения в Природе - превращения кинетической энергии заряженной частицы в электромагнитную (и наоборот).

1.6. Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм:

С одной стороны фотоны демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона;

С другой стороны фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами) или считаются точечными (электрон).

1.7. Учитывая тот факт, что одиночные фотоны демонстрирует свойства волны, вполне достоверно можно утверждать, что фотон представляет собой «миниволну» (отдельный, компактный«кусочек» волны). При этом должны учитываться следующие свойства волн:

а) э лектромагнитные волны(и фотон) - это поперечные волны, в которых векторы напряженности электрических (E) и магнитных (H) полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.Электромагнитные волны (фотон) можно передать от источника к приёмнику, в том числе и через вакуум. Им не требуется среда для своего распространения.

б) половина энергии электромагнитных волн (и фотона) является магнитной.

в) для характеристики интенсивности волнового процесса используют три параметра: амплитуда волнового процесса, плотность энергии волнового процесса и плотность потока энергии.

1.8. Кроме того, при рассмотрении схемы строения фотона и принципа его перемещения были учтены следующие данные:

а) излучение фотона практически проходит за период времени порядка 10 -7 сек - 10 -15 сек. За этот период электромагнитное поле фотона возрастает от нуля до максимума и вновь падает до нуля. См. рис.1.

б) график изменения поля фотона никак не может быть куском обрезанной синусоиды, т.к. в местах обрезки возникали бы бесконечные силы;

в) поскольку частота электромагнитной волны - это величина, которая наблюдается в опытах, то эту же частоту (и длину волны) можно приписать и отдельному фотону. Поэтому параметры фотона, как и волны, описываются формулой E = h* f , где h - постоянная Планка, которая связывает величину энергии фотона с его частотой (f ).

Рис. 1. Фотон является материальной частицей и представляет собой компактный (имеющий начало и конец), неделимый «кусочек» волны, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. Магнитные поля условно не показаны.

Часть 2. Основные принципы строения фотона.

2.1. Практически во всех статьях по электромагнитным волнам (фотонам) на рисунках описывается и графическипоказывается волна, состоящая из двух полей - электрического и магнитного, например, цитата: «Электромагнитное поле представляет собой совокупность электрического магнитного полей...». Однако существование «двухкомпонентной» электромагнитной волны (и фотона) невозможно по одной простой причине: однокомпонентного электрического и однокомпонентного магнитного поля в электромагнитной волне (фотоне) не существует и существовать не может. Объяснение:

а) существуют теоретические модели-формулы-законы, которые используются для расчетов или определения параметров в идеальных условиях (например - теоретическая модель идеального газа). Это вполне допустимо. Однако для расчетов в реальных условиях в эти формулы вводятся поправочные коэффициенты, которые отражают реальные параметры среды.

б) также существует теоретическая модель под названием «электрическое поле». Для решения теоретических задач это допустимо. Однако реально существуют только два электрических поля: электрическое поле-плюс (№1) и электрическое поле-минус (№2). Субстанции под названием «беззарядовое? электронейтральное? электрическое поле №3» в реальности не существует, и существовать не может. Поэтому, при моделировании реальных условий в теоретической модели под названием «электрическое поле» всегда необходимо учитывать два «поправочных коэффициента» - реальное электрическое поле-плюс и реальное электрическое поле-минус.

в) существует теоретическая модель под названием «магнитное поле». Это вполне допустимо для решения некоторых задач. Однако реально у магнитного поля всегда существуют два магнитных полюса: полюс №1 (N) и полюс №2 (S). Субстанции под названием «бесполюсное? магнитное поле №3» в реальности не существует и существовать не может.Поэтому, при моделировании реальных условий в теоретической модели под названием «магнитное поле» всегда необходимо учитывать два «поправочных коэффициента» - полюс-N и полюс-S.

2.2. Таким образом, учитывая вышесказанное можно сделать вполне однозначный вывод: фотон является компактной (имеющий начало и конец), материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс-минус) и двух магнитных (N-S) полей, способных распространяться от своих источников без затуханий (в вакууме) на сколь угодно большие расстояния. См. рис.2.

Рис.2. Фотон представляет собой совокупность двух электрических полей (плюс и минус) и двух магнитных полей (N и S). При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона. В данной работе принимается, что электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S.

Часть 3. Квант энергии и квант массы.

3.1. С одной стороны фотон представляет собой компактную, неделимую частицу, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть фотон имеет вполне реальный линейный размер (начало и конец).

3.2. Однако с другой стороны параметры фотона, как и волны, описываются формулой E = h* f , где h - постоянная Планка (эВ*сек), элементарный квант действия (фундаментальная мировая константа), которая связывает величину энергии фотона с его частотой (f ).

3.3. Это позволяет полагать, что все фотоны состоят из вполне определенного количества (n) «самостоятельных» электронейтральных «усреднённых» элементарных квантов энергии (эВ) с абсолютно одинаковой длиной волны (L ). В этом случае энергия любого фотона равна: Е = е 1 *n, где (е 1 ) - энергия элементарного кванта, (n) - их количество в фотоне. См. рис.3.

Рис.3.

а) «нормальный» фотон (электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля);

б) тот же фотон из «усреднённых» квантов. Можно допустить, что любой фотон состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии;

в) элементарный «усреднённый» квант энергии фотона. Элементарный квант энергии (размерность - эВ) абсолютно одинаков для всех электромагнитных волн всех диапазонов и аналогичен элементарному кванту действия Планка, (размерность - эВ*сек). В этом случае: Е (эВ) = h* f = е 1 *n.

3.4. Материя фотона. Фотоны излучаются в результате основного фундаментального превращения в Природе - превращение кинетической энергии заряженной частицы в электромагнитную и наоборот - превращение электромагнитной энергии фотонов в кинетическую энергию заряженной частицы. Однако кинетическая энергия нематериальна, а электромагнитная энергия фотона обладает всеми свойствами материи. Таким образом: в результате основного фундаментального превращения в Природе нематериальная кинетическая энергия заряженной частицы преобразуется в энергию электрических и магнитных полей фотона, который обладает вполне реальными свойствами материи: импульсом, скоростью, массой и др. характеристиками. Поскольку фотон материален, то материальны и все составляющие его части. То есть: элементарный квант энергии автоматически является элементарным квантом массы.

3.5. Любой фотон состоит из вполне определенного количества «самостоятельных» электронейтральных элементарных квантов энергии. И рассмотрение схемы строения элементарного кванта показывает, что:

а) элементарный квант невозможно разделить на две равные части, поскольку это автоматически будет являться нарушением закона сохранения заряда;

б) от элементарного кванта также невозможно «отрезать» более мелкую часть, поскольку это автоматически приведет к изменению значения постоянной Планка (фундаментальной константы) для этого кванта.

3.6. Следовательно:

Первое. Превращение электромагнитной энергии фотонов в кинетическую энергию заряженной частицы не может быть непрерывной функцией - электромагнитная энергия может превращаться в кинетическую энергию частиц (и наоборот) только при значениях энергии кратных одному элементарному кванту энергии.

Второе. Поскольку оболочки кварков, протонов, нейтронов и др. частиц представляют собой уплотнённую электронейтральную материю фотонов, то массы этих оболочек также имеет значения, кратные элементарному кванту массы.

3.7. Примечание: тем не менее, разделение элементарных квантов на две абсолютно равные части (положительную и отрицательную) вполне возможно (и происходит) при образовании электрон-позитронных пар. В этом случае масса электрона и позитрона имеет значения, кратные половине элементарного кванта массы (см. « Электрон. Образование и строение электрона. Магнитный монополь электрона»).

Часть 4. Основные принципы перемещения фотона.

4.1. Перемещение материального фотона-частицы может осуществляться только двумя способами:

Вариант-1: фотон перемещается по инерции;

Вариант-2: фотон является самодвижущейся частицей.

4.2. По неизвестным причинам, именно инерционное движение электромагнитных волн (и фотонов) либо подразумевается, либо упоминается и графически показывается практически во всех статьях по электромагнитным волнам, например: Wikipedia. Electromagnetic radiation. English. См. рис.4.

Рис.4. Пример инерционного перемещения фотона (Wikipedia. Electromagnetic radiation). Фотон перемещается мимо наблюдателя слева направо со скоростью V = «с». При этом все лепестки синусоиды не меняют своих параметров, то есть: в системе отсчёта фотона они абсолютно неподвижны.

4.3. Однако инерционное движение фотона невозможно, например, по следующей причине: при прохождении фотона сквозь препятствие (стекло) его скорость уменьшается, но после прохождения препятствия (одного или нескольких) фотон вновь «мгновенно» и восстанавливает свою скорость до «с» = const. При инерциальном движении такое самостоятельное восстановление скорости невозможно.

4.4. «Мгновенный» набор скорости фотоном (до «с» = const) после прохождения препятствия возможен только при условии, если сам фотон является самодвижущейся частицей. При этом механизмом самопередвижения фотона может являться только переполюсовка имеющихся в наличии электрических (плюс и минус) и магнитных (N и S) полей с одновременным смещением фотона на полпериода, то есть с удвоенной частотой (2* f ). См. рис.5.

Рис.5. Схема перемещения фотона за счёт переполюсовки полей. «Фрагмент» - последовательность переполюсовки поля-плюс.

4.5. Объяснение механизма перемещения фотона основывалось на следующих данных:

а) электромагнитное поле фотона представляет собой совокупность переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей;

б) электрические и магнитные поля фотона не могут исчезнуть - они могут только превращаться друг в друга. Порождение магнитного поля переменным электрическим полем является фундаментальным явлением природы;

в) магнитное поле появляется только при наличии изменяющегося во времени электрического поля и наоборот (всякое изменение электрического поля возбуждает магнитное поле и, в свою очередь, изменение магнитного поля возбуждает поле электрическое). Поэтому магнитные поля фотона могут возникнуть только при наличии у фотона переменных по знаку иизменяющихся во времени электрических полей (в системе отсчёта фотона).

4.6. При объяснении механизма переполюсовки фотона рассматривались следующие варианты:

а) наличие свободного пространства впереди фотона. Фотон представляет собой компактный, неделимый «кусочек» волны в виде синусоиды, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть: «тело» фотона имеет вполне реальную геометрическую длину (начало и конец). Движение фотона происходит за счёт перемещения фотона на расстояние одного полупериода (1/2L) за каждый акт переполюсовки. И это перемещение всегда может происходить только в одну сторону (вперед), где перед фотоном имеется в наличии свободное пространство;

б) «Борьба противоположностей». Электромагнитное поле фотона представляет собой совокупность переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей. В данной работе принимается, что электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S. Но в этом случае возникает постоянное (и законное) стремление магнитных полей N и S состыковаться друг с другом, то есть создать полноценный «двухполюсной магнит». Для этого одно из магнитных полей обязано сдвинуться на полпериода. Однако магнитные и электрическими поля «намертво» связаны между собой, и всякая попытка магнитного поля «освободится» от электрического поля «мгновенно» приводит к ответной реакции противодействия - вызывает переполюсовку (переброску) всех полей и их автоматическое смещение на полпериода.

4.7. Поскольку других вариантов объяснения механизма самопередвижения фотона не просматривается, то перемещение фотона за счёт переполюсовки полей, по-видимому, является единственным решением проблемы. Ибо только режим переполюсовки позволяет поддерживать режим самодвижения фотона и одновременно обеспечить соблюдение фундаментального закона Природы - порождение магнитного поля при наличии переменного по знаку и меняющегося во времени электрического поля (и наоборот). Предложенные варианты механизма переполюсовки (причин и последовательности) требуют дополнительных проработок, которые в данной работе не могут быть представлены. Тем не менее, приведенные объяснения являются приемлемым выходом из создавшейся ситуации в решении проблемы постоянства скорости света, поскольку позволяют с той или иной степенью достоверности объяснить механизм самопередвижения фотона.

4.8. Скорость фотона. Скорость (с) электромагнитных волн (фотонов) в вакууме, их частота (f ) и длина волны (L ) жестко связаны формулой: с = f * L . Однако при этом следует иметь в виду, что перемещение фотона происходит за счёт одновременной переполюсовки его электрических и магнитных полей, во время которой фотон смещается на расстояние одного полупериода (L/2) за каждый акт переполюсовки, то есть с удвоенной частотой. С учётом этого формула скорости будет иметь вид с =2 f * L /2, что абсолютно идентично основной формуле: с = f * L .

5. Таким образом:

5.1. Фотон является локализованной (компактной) материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс и минус) и двух магнитных (N и S) полей, значения которых возрастают от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона.

5.2. В результате основного фундаментального превращения в Природе нематериальная кинетическая энергия заряженной частицы преобразуется в материальную энергию электрических и магнитных полей фотона. Фотон материален и состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии, которые автоматически являются элементарными квантами массы.

5.3. Фотон является самодвижущейся частицей способной перемещаться от своего источник на сколь угодно большие расстояния (в вакууме). Ему не требуется среда для своего перемещения. Движение фотона происходит за счёт переполюсовки переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей, во время которой фотон смещается на расстояние одного полупериода за каждый акт переполюсовки.

5.4. В данной работе принимается, что в каждом элементарном кванте электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S. Другие варианты стыковки полей требуют дополнительных проработок и в данной работе не рассматривались.