Photon

Od davnina se zna za fenomene refleksije i prelamanja svjetlosti. Suština ovih pojava, njihova prava priroda još uvijek nije jasna zvaničnoj nauci, sve je izgrađeno na teoriji vjerovatnoće.

U modernom naučna literatura foton se naziva kvant elektromagnetno polje, vjerovatno elementarna čestica, koja se u svjetlu modernih teorija predstavlja kao nosilac elektromagnetna interakcija. Iako, zapravo, moderni naziv "foton" znači samo posmatrani proces - najmanji "porcije", "snopovi" svjetlosti koji čine valove elektromagnetnog zračenja, uključujući vidljivo svetlo, radio talasi, X-zrake, laserski impulsi i tako dalje.

Koncept fotona (od starogrčke riječi "φωτός" (fotografije) - "svjetlost") uveo je 1926. američki hemičar Gilbert Newton Lewis. Inače, fotone je smatrao "nestvorenim i neuništivim" (ovo je slično povijesti uvođenja koncepta atoma od strane kemičara Johna Daltona, koji je svoje razmišljanje temeljio na drevnom znanju o nedjeljivim česticama).

Danas se foton u fizici označava simbolom grčkog slova gama - γ. Ova oznaka je povezana s otkrićem gama zračenja, koje se sastoji od fotona visoke energije, 1900. godine. Napravio ga je francuski fizičar Paul Villars u procesu proučavanja zračenja radijuma u jakom magnetnom polju. Nakon toga, engleski fizičar Ernest Rutherford, koji je prethodno nazvao dvije vrste zračenja uranijuma kao alfa i beta zrake, otkrio je da nova vrsta radijacije koju je otkrio Villar ima veliku prodornu moć. On je ovom zračenju dao naziv "gama zraci".

“U naučnom članku iz 1926. Gilbert Lewis piše: “Izražavam hipotezu da je ovdje riječ o novom tipu atoma, neidentifikovanom objektu, nestvorenom i neuništivom, koji djeluje kao nosilac energije zračenja i nakon apsorpcije, ostaje kao glavna komponenta apsorbiranog svog atoma sve dok ponovo ne izađe sa novom količinom energije... Uzimam slobodu da predložim za ovaj hipotetički novi atom, koji nije svjetlost, ali igra važnu ulogu u svim procesima zračenja , naziv "foton"". Zanimljiva je činjenica da je Gilbert Lewis foton smatrao upravo “nosačem energije zračenja/radijacije”, a ne samu energiju (sada fizičari foton smatraju nosiocem elektromagnetne sile). Od tada je riječ "foton" brzo ušla u upotrebu.

Literatura: Lewis, Gilbert N. The conservation of photons Nature 118, 1926, str. 874–875; Lewis, Gilbert N. Priroda svjetlosti. Proceedings of the National Academy of Science 12, 1926, str. 22-29; Roychoudhuri, Chandra, Kracklauer, A.F., Creath, Kathy. Priroda svjetlosti: Šta je foton? CRC Press, 2008.

Otkriće fotona značajno je potaknulo razvoj teorijske i eksperimentalne fizike, uključujući fizička hemija(fotohemija), kvantna mehanika itd. Ljudi su počeli grubo razumjeti i koristiti manifestacije takvih fizičke pojave, kako struja, tok fotona. Ali saznanja o najmanjoj strukturi ovih fenomena su približna, jer do sada zvanična nauka ne može objasniti od čega se tačno sastoji taj isti elektron ili foton (iako je to znanje o pravoj prirodi mikrokosmosa bilo u drevnim vremenima).

Priroda fotona ostaje misterija za naučnike. Ali čak i oslanjajući se na rezultate istraživanja koji su zabilježeni u procesu promatranja, zahvaljujući eksperimentima, došlo se do otkrića koja su se široko koristila u životu društva. Izumljeni su različiti tehnički uređaji čiji je princip rada povezan s upotrebom fotona. Na primjer, kompjuterska tomografija, kvantni generator (mazer), laser i tako dalje. Laser je pronašao najširu praktičnu primenu u industriji, medicini, svakodnevnom životu, počevši od stvaranja visoko preciznih fizičkih instrumenata - seizmografa, gravimetara, laserskih skalpela koji se koriste u mikrohirurgiji, do kreiranja tehnoloških procesa za zavarivanje, rezanje metala, domaćinstvo. laserski štampači i tako dalje. Fotoni se koriste i u spektralnoj analizi (atomska spektroskopija se bavi proučavanjem spektra elektromagnetnog zračenja atoma). Kroz proučavanje fotona, naučnici su otkrili da atomi svakog hemijskog elementa imaju dobro definisane rezonantne frekvencije. Na tim frekvencijama emituju i upijaju svjetlost (fotone). Odnosno, kao što svaka osoba ima pojedinačne otiske prstiju, tako i svaka osoba hemijski element ima svoj jedinstveni spektar emisije i apsorpcije. I sve je to samo početak proučavanja takve jedinstvene strukture kao što je foton, koji aktivno sudjeluje u različitim procesima snage i interakcijama u prirodi.

Sva teorijska fizika elementarnih čestica izgrađena je na teoriji vjerovatnoće. Međutim, o analizi objektivnih osnova teorije vjerovatnoće aktivno se raspravljalo tek tokom stvaranja kvantne mehanike. Sada fizičari ne raspravljaju tako živo o prirodi vjerovatnoće. S jedne strane, svi priznaju da je ona stavljena u temelje mikroprocesa, a s druge strane, u toku samog istraživanja o njoj se malo govori, kao da ima sporednu ulogu. Ovo posebno važi za fiziku elementarnih čestica, gde se, uz karakteristike unutrašnjih stanja i svojstva elementarnih čestica, uglavnom zataškava koncept verovatnoće. Kao jedan od osnivača kvantne elektrodinamike, američki naučnik Richard Feynman je rekao: „Bez obzira koliko se trudili da izmislimo razumnu teoriju koja objašnjava kako foton „odlučuje“ da li će proći kroz staklo ili se vratiti nazad, nemoguće je predvidjeti kako će dati foton će se kretati. Evo uvjeta koji dovodi do različitih rezultata: identični fotoni lete u istom smjeru prema istom komadu stakla. Ne možemo predvidjeti da li će dati foton pogoditi A ili B. Sve što možemo predvidjeti je da će se od 100 emitovanih fotona u prosjeku 4 odbiti od površine. Znači li to da je fizika, nauka velike preciznosti, svedena na izračunavanje vjerovatnoće događaja, a ne na predviđanje tačno šta će se dogoditi? Da. Onako kako je“. Inače, pomenuti problem fotona i dalje ostaje neriješen problem, osim za zvaničnu nauku. Ali za naučnike ALLATRA SCIENCE to je odavno riješeno.

Literatura: Filozofski problemi fizike elementarnih čestica (trideset godina kasnije). Rep. Ed. Yu.B. Molchanov. M., 1994; Feynman R. QED je čudna teorija svjetlosti i materije. M., 1988.

Ali šta zapravo predstavljaju fotoni i elektroni, od čega se tačno sastoje ove strukture? Zbog koje komponente je foton stabilan i učestvuje u interakcijama sila? Zašto ova takozvana "bezmasena elementarna čestica" u modernoj fizici nema električni naboj? Zašto je foton jedna od najmanjih i najčešćih elementarnih čestica u svemiru? Sada zvanična nauka ne može odgovoriti na ova pitanja, budući da foton i dalje, uprkos bogatom akumuliranom eksperimentalnom materijalu, za njega ostaje misteriozna elementarna čestica. Ali ovu situaciju je lako popraviti. Poznavajući osnove PRIMORDIALNE FIZIKE ALLATRA, čak i školarac može pronaći odgovore na ova pitanja.

U STVARNOSTI, FOTON, ako se smatra istinskom elementarnom česticom, sastoji se od fantomskih Po čestica. Foton može postojati u dva stanja: FOTON-3 (γ3) i FOTON-4 (γ4). Većina fotona se sastoji od 3 fantomske Po čestice (foton-3). Međutim, svaki od ovih fotona pod određenim uslovima može se pretvoriti u foton koji se sastoji od 4 fantomske Po čestice (foton-4), a foton-4 se može pretvoriti u foton-3. Prema svom stanju, foton može obavljati ili funkciju čestice snage (foton-3) ili "informacijske" čestice (foton-4), odnosno, u posljednjem slučaju, djelovati kao nosilac informacija o elementarnom čestica sa kojom je u interakciji. Važno je napomenuti da je za foton koji se kreće duž ezoosmičke mreže, spiralna rotacija njegovih fantomskih Po čestica je ubrzanija od rotacije fantomskih Po čestica mnogih drugih elementarnih čestica. Zahvaljujući tako ubrzanim „vrtlozima“ fotonske strukture, njegova brzina kretanja je veća u odnosu na brzinu kretanja mnogih drugih elementarnih čestica.

Foton-3 i foton-4 kreću se, po pravilu, u istom energetskom toku, a u njemu je uvek mnogo više fotona-3 nego fotona-4. Na primjer, tok fotona dolazi od Sunca, gdje su većina fotoni sile (fotoni-3) odgovorni za energiju, interakcije sila, ali među njima postoje i informacioni fotoni (fotoni-4) koji nose informacije o suncu . Tokovi fotona-3 ne prenose toplotu, oni je stvaraju kada se čestice sa kojima se sudare unište. Što je veći tok fotona-3 usmjerenih pod pravim uglom prema materijalnom objektu, to se više topline stvara. Zahvaljujući informacijskim fotonima (fotoni-4), osoba, na primjer, očima vidi svjetlost od sunca i samo sunce, a zahvaljujući fotonima snage (fotoni-3) osjeća toplinu sunca na sebi, i tako dalje. To jest, zahvaljujući fotonima-3, obezbeđuje se protok energije (kao i različite interakcije sila u materijalnom svetu), a zahvaljujući fotonima-4, informacije se isporučuju u tom energetskom toku (tj. učešće u procesima koji omogućavaju na primjer, osoba da vidi svijet oko sebe).

FOTON-3 obuhvata tri fantomske Po čestice, odnosno od dvije fantomske Po čestice međusobno povezane jednom Allat fantomskom Po česticom. Upravo uključivanje u sastav Allat fantomske Po čestice čini foton jedinstvenim, stabilnim i aktivnim učesnikom. interakcije sila. Usput, a Llat fantomska Po čestica nikada neće biti na mjestu prve glave fantomske Po čestice u bilo kojoj elementarnoj čestici koja je ima u svom sastavu. Uvijek će se nalaziti unutar elementarne čestice između fantomskih Po čestica, kao osnova sile ove čestice.

Foton-3 se može transformirati u foton-4, a foton-4 se može transformirati u stanje fotona-3. Kako se ovaj proces odvija? Foton (što znači i foton-3 i foton-4) ima jedinstvenu strukturu koja ga razlikuje od bilo koje druge elementarne čestice. Konkretno, ima neobičnu prvu (glavnu) fantomsku Po česticu. Ako se u ezoosmičkoj ćeliji pojave odgovarajući uslovi, pod kojima ona istovremeno ulazi sa različitih strana dvije glave fantomske Po čestice (od kojih jedna pripada fotonu, a druga drugoj elementarnoj čestici) i dolazi do njihovog najbližeg približavanja, zatim se događa sljedeći proces.

Fantomska čestica glave Po fotona zbog svoje veće brzine u odnosu na brzinu kretanja fantomske čestice glave Po druge elementarne čestice brzo se rotira. Dakle, dozvoljava čestici sile fotona koji ga prati (Allat fantomska Po čestica) da uhvati svoju glavnu fantomsku Po česticu sa kontra elementarne čestice, koja je nosilac svih informacija o ovoj elementarnoj čestici.

Foton-3, hvatajući glavu fantomske Po čestice druge elementarne čestice, pričvršćuje ovu informacijsku česticu za njenu strukturu. Kao rezultat, foton-3 se transformiše u foton-4, koji se sastoji od četiri fantomske Po čestice. U ovom slučaju, elementarna čestica iz koje je uklonjena glavna fantomska Po čestica podliježe uništenju, uslijed čega se oslobađa energija. Općenito, takav proces hvatanja informacije fotonom se događa samo ako glavna fantomska Po čestica elementarne čestice prođe kroz ovu ezoosmičku ćeliju, a ne druge fantomske Po čestice koje su dio elementarne čestice.

Kada foton-3 izbaci glavnu fantomsku Po česticu iz elementarne čestice, ona se iz "hvatača" pretvara u "transporter", odnosno nosilac informacija (foton-4). Da se vratimo na asocijativni primjer sa vozom i vagonima, ovo je slično tome kako voz od tri vagona, koji se kreće punom brzinom, grabi lokomotivu iz nadolazećeg voza. Tako postaje voz sa dvije lokomotive, jednim diplomatskim i jednim jednostavnim vagonom, sve dok se ne stvore uslovi pod kojima se može osloboditi lokomotive zarobljene u njegovom sastavu. Preostali vagoni nadolazećeg voza, koji su izgubili lokomotivu, raspadaju se u depou (u ezoosmičkoj membrani).

FOTON-4 sastoji se od četiri fantomske Po čestice: jedinstvena glava fantomska Po čestica, "vanzemaljska" fantomska Po čestica (informaciona čestica), alatska fantomska Po čestica i konačna fantomska Po čestica. To je ulazak ove "vanzemaljske" Po čestice fantomske glave u sastav fotona-4 koji ga čini ispunjeni informacijama, odnosno nošenje informacija o datoj („stranoj“) elementarnoj čestici. Ali općenito, kada postoji mnogo takvih fotona, oni nose informacije o određenom subjektu, objektu, fenomenu itd. Foton postoji u ovom stanju (foton-4) sve dok u ezoosmičkoj ćeliji ponovo ne nastanu slični uslovi, pod kojima se oslobađa od „strane“ glave fantomske Po čestice, odnosno dolazi do procesa „resetovanja informacija“. Istovremeno, glavna fantomska Po čestica fotona ponovo rotira, a zbog učešća Po čestice Allat snage u ovom procesu, „vanzemaljska“ glava fantoma Po čestica se istiskuje u granice sopstvenog septonskog polja. kontra glave fantomske Po čestice elementarne čestice. Sam foton, pretvarajući se u stanje fotona-3, napušta ezoosmičku ćeliju. Oslobođena fantomska Po čestica glave izbacuje informaciju u vlastito septonsko polje stvarne Po čestice i prolazne glave fantomske Po čestice elementarne čestice (na taj način obogaćujući njihov unutrašnji potencijal novim informacijama) i nepovratno odlazi do ezoosmičke membrane.

Nakon resetiranja (transfera) informacijske „strane“ glave fantomske Po čestice, foton-4 se ponovo pretvara u foton-3, odnosno prelazi u prvobitno stanje, u kojem ga karakterizira multivarijabilnost različitih djelovanja. Na primjer, foton-3 može učestvovati u drugim interakcijama, biti dio elementarnih čestica itd. Može nestati (zbog ezoosmičke membrane) na jednom mjestu i pojaviti se na drugom mjestu, odnosno može napraviti gotovo trenutni prijelaz u ezoosmičkoj mreži na velike („kosmičke“) udaljenosti. Naravno, ovo je samo kratke informacije o fotonu, namijenjen primarnom upoznavanju. Osim toga, postoji mnogo jedinstvenih informacija dobijenih tokom istraživanja o obrascima i paradoksima ponašanja fotona u raznim okruženjima, njegove karakteristike valna svojstva, interakcije sa drugim elementarnim česticama, algoritmi za kontrolu ponašanja fotona i još mnogo toga.

Općenito, sumirajući gore navedene informacije, možemo reći da je glavna funkcija fotona-3 energetske interakcije, koje su uglavnom povezane s procesom uništavanja materije i oslobađanja energije, a foton-4 je informacijska interakcija povezana sa prijenos informacija. Poznavajući funkcije i karakteristike fotona, principe njegove interakcije sa drugim elementarnim česticama i posebno septonskim poljem, mogu se razumjeti mnogi procesi makro- i mikrosvijeta u koje je on direktno uključen. Zahvaljujući ovom znanju, mogu se pronaći odgovori na mnoga pitanja. Na primjer, kako osoba zapravo percipira vizualne informacije? Šta je zapravo senka, toplota ili hladnoća, ako posmatramo ove procese na nivou ezoosmičke mreže? Zbog kojih uzroka dolazi do uništavanja tvari koja je pod produženim izlaganjem sunčevoj svjetlosti? Koje su karakteristike veze fotona sa gravitacionim i elektromagnetnim poljem? I mnogo više. Poznavanje fotona pomaže da se razumiju osnovni uzroci radnje koja se izvodi zbog učešća fotona u njemu, te da se izvrše precizniji proračuni interakcija fotona bez upotrebe skupe opreme i tehnologije.

U jednom od ključnih filozofskih rasprava taoizma pod nazivom "Le-tzu" (I-III vek nove ere), postoje takvi redovi o apsolutnom, o tome kako svet koji je dobio ime potiče od neimenovane apsolutne celine.

„U početku je bila Velika Jednostavnost,
zatim se pojavio Great Beginning,
onda je došla Velika fondacija,
nakon čega se pojavila Velika supstancijalnost.
Još nije bilo daha u Velikoj Jednostavnosti.
Veliki početak je bio početak disanja,
Veliko tlo je bilo početak svih oblika,
Velika materijalnost je početak svih stvari.

Dah, oblik i stvar se još nisu razdvojili, što se zove Haos. Gledajte dobro i nećete videti, slušajte i nećete čuti. Ime ovoga je "Jednostavnost". Jednostavno nema ni formu ni granice. Prošavši transformaciju, postao je Jedan, a od Jedan - Sedam, Sedam se pretvorilo u Devet. Na tome se transformacije iscrpljuju i ponovo dolaze do Jednog. A ovo Jedno je početak transformacija svih oblika. Čisto i svjetlo se podiglo i formiralo Nebo, prljavo i teško sišlo je i formiralo Zemlju, a dah koji je prodirao i jedno i drugo je rodilo čovjeka. Tako su Nebo i Zemlja sadržavali sjeme svih živih bića i sve je oživjelo.”

U drevnoj kineskoj raspravi "Tao Te Ching" (poglavlje 42) postoje stihovi: "Tao je stvorio jednog. Jedan dva. Dva tri. A tri su sve stvari. Svaka stvar nosi jin i sadrži jang.

Literatura: Chuang Tzu. Le Tzu. Prijevod Malyavin VV Filozofsko naslijeđe. U 3 toma. - M: Misao, 1995; Tao Te Ching: Knjiga o načinu života / komp. i prijevod V. V. Malyavin. – M.: Feorija, 2010; Werner, Edward T.C. Mitovi i legende Kine. George G. Harrap & Co. doo London Bombaj Sidnej, 1922.

Bez uzimanja u obzir kvantizacije, kvantna svojstva su dodijeljena objektima koji emituju i apsorbiraju svjetlost (vidi, na primjer, Borovu teoriju). Unatoč činjenici da su poluklasični modeli utjecali na razvoj kvantne mehanike (o čemu posebno svjedoči činjenica da su neke njihove odredbe, pa čak i posljedice eksplicitno uključene u moderne kvantne teorije), eksperimenti su potvrdili Ajnštajnovu ispravnost o kvantnoj prirodi svjetlosti (v. , na primjer, fotoelektrični efekat). Treba napomenuti da kvantizacija energije elektromagnetnog zračenja nije izuzetak. AT kvantna teorija mnogi fizičke veličine su diskretni (kvantizovani). Primjeri takvih veličina su: ugaoni moment, spin i energija vezanih sistema.

Uvođenje koncepta fotona doprinijelo je stvaranju novih teorija i fizičkih uređaja, a također je potaknulo razvoj eksperimentalne i teorijske osnove kvantne mehanike. Na primjer, izumljeni su maser, laser, fenomen Bose-Einstein kondenzacije, formulirana je kvantna teorija polja i probabilistička interpretacija kvantne mehanike. U modernom Standardnom modelu fizike čestica, postojanje fotona je posljedica činjenice da su zakoni fizike invarijantni prema lokalnoj simetriji kalibra u bilo kojoj tački prostor-vremena (pogledajte odjeljak ispod za više detalja). Ova ista simetrija određuje intrinzična svojstva fotona, kao što su električni naboj, masa i spin.

Istorija imena i oznake

Albert Ajnštajn je foton prvobitno nazvao "svetlosnim kvantom". das Lichtquant). Moderno ime, koju foton vodi od grčke riječi φῶς, "phōs" ("svjetlost"), uveo je hemičar Gilbert N. Lewis, koji je objavio svoju teoriju, u kojoj se fotoni smatraju "nestvorenim i neuništivim". Iako Lewisova teorija nije našla svoju potvrdu, budući da je u suprotnosti sa eksperimentalnim podacima, novi naziv za kvante elektromagnetnog polja počeli su da koriste mnogi fizičari.

Istorija razvoja koncepta fotona

U većini teorija razvijenih prije 18. stoljeća, svjetlost se posmatrala kao tok čestica. Jedna od prvih takvih teorija je predstavljena u Knjizi o optici od strane Ibn al-Haythama 1021. godine. U njemu je naučnik predstavljao svjetlosni snop u obliku struje sitnih čestica, kojima "nedostaju svi uočljivi kvaliteti, osim energije". Budući da takvi modeli nisu mogli objasniti fenomene kao što su refrakcija, difrakcija i dvolomnost, predložena je valovna teorija svjetlosti, čiji su osnivači bili Rene Descartes (1637), Robert Hooke (1665) i Christian Huygens (1678). Međutim, modeli zasnovani na ideji diskretne strukture svjetlosti ostali su dominantni, uglavnom zbog utjecaja autoriteta Isaaca Newtona, koji je držao ove teorije. AT početkom XIX stoljeća, Thomas Young i Augustin Fresnel su u svojim eksperimentima jasno demonstrirali fenomene interferencije i difrakcije svjetlosti, nakon čega su oko 1850. modeli valova postali opšteprihvaćeni. Godine 1865. James Maxwell je kao dio svoje teorije predložio da je svjetlost elektromagnetski talas. 1888. godine ovu hipotezu je eksperimentalno potvrdio Heinrich Hertz, koji je otkrio radio valove.

Istraživanja svojstava zračenja crnog tijela, koja su se odvijala skoro četrdeset godina (1860-1900), završila su napredovanjem Max Planckove hipoteze da se energija bilo kojeg sistema, kada emituje ili apsorbira zračenje elektromagnetne frekvencije, može promijeniti samo za iznos to je višekratnik kvantne energije (odnosno diskretno), gdje je Plankova konstanta. Albert Einstein je pokazao da se takav koncept kvantizacije energije mora prihvatiti kako bi se objasnila uočena toplinska ravnoteža između materije i elektromagnetno zračenje. Na istoj osnovi je teorijski opisao fotoelektrični efekat, za ovaj rad Ajnštajn je 1921. dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Naprotiv, Maxwellova teorija priznaje da elektromagnetno zračenje može imati bilo koju energiju (to jest, nije kvantizirano).

Mnogi fizičari su u početku pretpostavili da je kvantizacija energije rezultat nekog nepoznatog svojstva materije koja apsorbuje i emituje elektromagnetne talase. Godine 1905. Einstein je sugerirao da je kvantizacija energije svojstvo samog elektromagnetnog zračenja. Prepoznajući valjanost Maxwellove teorije, Ajnštajn je istakao da se mnogi tadašnji anomalni rezultati eksperimenata mogu objasniti ako je energija svetlosnog talasa lokalizovana u kvante nalik česticama koji se kreću nezavisno jedan od drugog, čak i ako se talas širi neprekidno u prostor. Godine 1916. Ajnštajn je pokazao, na osnovu valjanosti zakona zračenja potpuno crnog tela, da kvant energije takođe mora imati impuls. Impuls fotona je eksperimentalno otkrio Arthur Compton, za ovaj rad dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1927. godine. Međutim, pitanje dogovora teorija talasa Maxwell s eksperimentalnim potvrđivanjem diskretne prirode svjetlosti ostao je otvoren. Brojni autori su tvrdili da se emisija i apsorpcija elektromagnetnih talasa dešava u porcijama, kvantima, ali su procesi širenja talasa kontinuirani. Kvantna priroda fenomena zračenja i apsorpcije dokazuje prisustvo pojedinačnih energetskih nivoa u mikrosistemima, uključujući i elektromagnetno polje, i nemogućnost mikrosistema da ima proizvoljnu količinu energije. Korpuskularne reprezentacije se dobro slažu sa eksperimentalno posmatranim obrascima emisije i apsorpcije elektromagnetnih talasa, posebno sa obrascima termičko zračenje i fotoelektrični efekat. Međutim, po njihovom mišljenju, eksperimentalni podaci ukazuju na to da se kvantna svojstva elektromagnetnog talasa ne manifestuju tokom širenja, rasipanja i difrakcije elektromagnetnih talasa, ako nisu praćena gubitkom energije. U procesima širenja, elektromagnetski val nije lokaliziran u određenoj tački u prostoru, on se ponaša kao jedinstvena cjelina i opisuje se Maxwellovim jednadžbama. Rješenje je pronađeno u okviru kvantne elektrodinamike (pogledajte dio dualnosti talas-čestica ispod) i njenog nasljednika, Standardnog modela.

U skladu sa kvantnom elektrodinamikom, elektromagnetno polje u zapremini kocke sa dužinom ivice d mogu se predstaviti kao ravni stojeći talasi, sferni talasi ili ravni putujući talasi. U ovom slučaju se smatra da je volumen ispunjen fotonima sa distribucijom energije , gdje je n je cijeli broj. Interakcija fotona sa materijom dovodi do promjene u broju fotona n uključeno (zračenje ili apsorpcija).

Pokušaji očuvanja Maxwellove teorije

Kao što je pomenuto u Nobelovom predavanju Roberta Milikena, Ajnštajnova predviđanja iz 1905. eksperimentalno su testirana na nekoliko nezavisnih načina u prve dve decenije 20. veka. Međutim, prije poznatog Comptonovog eksperimenta, ideja o kvantnoj prirodi elektromagnetnog zračenja nije bila općenito prihvaćena među fizičarima (vidi, na primjer, Nobelova predavanja Wilhelma Wiena, Maxa Plancka i Roberta Millikena), koja je bila povezana s uspjeh Maxwellove talasne teorije svjetlosti. Neki fizičari su vjerovali da je kvantizacija energije u procesima emisije i apsorpcije svjetlosti posljedica određenih svojstava tvari koja emituje ili apsorbira svjetlost. Niels Bohr, Arnold Sommerfeld i drugi razvili su modele atoma sa diskretnim energetskim nivoima, koji su objasnili prisustvo emisionog i apsorpcionog spektra atoma i, štaviše, bili su u odličnoj saglasnosti sa posmatranim spektrom vodonika (međutim, nije bilo moguće dobiti spektre drugih atoma u ovim modelima). Samo raspršivanje fotona slobodnim elektronom, koji (prema idejama tog vremena) nije imao unutrašnju strukturu i, shodno tome, nivoe energije, natjeralo je mnoge fizičare da priznaju kvantna priroda Sveta.

Međutim, čak i nakon Comptonovih eksperimenata, Bohr, Hendrik Kramers i John Slater su učinili posljednji pokušaj da spasu klasični Maxwellov talasni model svjetlosti, ne uzimajući u obzir njegovu kvantizaciju, objavljivanjem takozvane BCS teorije. Da bi objasnili eksperimentalne podatke, predložili su dvije hipoteze:

1. Energija i impuls se održavaju samo statistički (u prosjeku) u interakcijama između materije i zračenja. U odvojenim elementarnim procesima, kao što su zračenje i apsorpcija, zakoni održanja energije i impulsa nisu ispunjeni.
   Ova pretpostavka je omogućila pomirenje stepenaste promjene energije atoma (prijelaza između energetskih nivoa) sa kontinuitetom promjene energije samog zračenja.
2. Mehanizam zračenja je specifičan. Konkretno, spontano zračenje se smatralo zračenjem stimuliranom "virtuelnim" elektromagnetnim poljem.

Međutim, Comptonovi eksperimenti su pokazali da su energija i impuls tačno očuvani u elementarnim procesima i da su njegovi proračuni promjene frekvencije upadnog fotona u Comptonovom rasejanju tačni do 11 decimalnih mjesta. Nakon toga, Bohr i njegovi koautori su svom modelu dali "najplemenitiju moguću sahranu, koliko je to moguće". Ipak, kolaps BCS modela inspirisao je Wernera Heisenberga da stvori matričnu mehaniku.

Jedan od eksperimenata koji potvrđuju kvantizaciju apsorpcije svjetlosti bio je eksperiment Waltera Bothea, koji je on izveo 1925. godine. U ovom eksperimentu, tanka metalna folija je ozračena rendgenskim zracima niskog intenziteta. U tom slučaju je sama folija postala izvor slabog sekundarnog zračenja. Na osnovu klasičnih talasnih koncepata, ovo zračenje treba da bude jednoliko raspoređeno u prostoru u svim pravcima. U ovom slučaju, dva brojača koja se nalaze lijevo i desno od folije trebala su to istovremeno snimiti. Međutim, rezultat eksperimenta se pokazao potpuno suprotnim: zračenje je bilježilo desni ili lijevi brojač, a nikada oba istovremeno. Posljedično, apsorpcija se događa u odvojenim kvantima. Iskustvo je tako potvrdilo prvobitni stav teorija fotona zračenja, i tako postao još jedan eksperimentalni dokaz kvantnih svojstava elektromagnetnog zračenja.

U vakuumu, energija i zamah fotona zavise samo od njegove frekvencije (ili, ekvivalentno, njegove talasne dužine):

i, prema tome, veličina momenta je:

gdje je - Plankova konstanta, jednaka; - talasni vektor i - njegova vrijednost (talasni broj); - ugaona frekvencija. Talasni vektor pokazuje smjer kretanja fotona. Spin fotona ne zavisi od frekvencije.

Klasične formule za energiju i impuls elektromagnetnog zračenja mogu se izvesti iz koncepata fotona. Na primjer, radijacijski pritisak se vrši zbog prijenosa impulsa fotona na tijelo tokom njihove apsorpcije. Zaista, pritisak je sila koja djeluje po jedinici površine, a sila je jednaka promjeni impulsa podijeljenoj s vremenom ove promjene.

Dualnost talas-čestica i princip nesigurnosti

Heisenbergov misaoni eksperiment za lociranje elektrona (osenčenog plavom bojom) pomoću gama-mikroskopa visoke rezolucije. Upadni gama zraci (prikazano zelenom bojom) se raspršuju elektronom i ulaze u ugao otvora mikroskopa θ. Raspršeni gama zraci su na slici prikazani crvenom bojom. Klasična optika pokazuje da se položaj elektrona može odrediti samo do određene vrijednosti Δ x, što zavisi od ugla θ i od talasne dužine λ upadnih zraka.

Važno je napomenuti da je kvantizacija svjetlosti i ovisnost energije i impulsa o frekvenciji neophodna da bi se ispunio princip nesigurnosti primijenjen na nabijenu masivnu česticu. To se može ilustrirati poznatim misaonim eksperimentom s idealnim mikroskopom koji određuje koordinate elektrona zračenjem svjetlom i snimanjem raspršene svjetlosti (Heisenbergov gama mikroskop). Položaj elektrona može se odrediti s tačnošću jednakom rezoluciji mikroskopa. Na osnovu koncepta klasične optike:

gdje je ugao otvora mikroskopa. Dakle, nesigurnost koordinata može se učiniti proizvoljno malom smanjenjem talasne dužine upadnih zraka. Međutim, nakon raspršenja, elektron dobiva dodatni impuls, čija je nesigurnost jednaka . Ako se upadno zračenje ne kvantizira, ova nesigurnost bi se mogla učiniti proizvoljno malom smanjenjem intenziteta zračenja. Talasna dužina i intenzitet upadne svjetlosti mogu se mijenjati nezavisno jedan od drugog. Kao rezultat toga, u nedostatku kvantizacije svjetlosti, bilo bi moguće istovremeno sa velikom preciznošću odrediti položaj elektrona u prostoru i njegov impuls, što je u suprotnosti s principom nesigurnosti.

Slično, princip nesigurnosti za fotone zabranjuje istovremeno precizno mjerenje broja fotona (pogledajte Fockovo stanje i drugi dio kvantizacije ispod) u elektromagnetnom valu i fazu tog vala (vidite koherentno stanje i stisnuto koherentno stanje):

Bose-Einstein fotonski plinski model

Kvantnu statistiku, primenjenu na sisteme čestica sa celobrojnim spinom, predložio je 1924. indijski fizičar S. Bose za kvante svetlosti, a razvio A. Ajnštajn za sve bozone. Elektromagnetno zračenje unutar određenog volumena može se smatrati idealnim plinom, koji se sastoji od skupa fotona koji praktički ne stupaju u interakciju jedni s drugima. Termodinamička ravnoteža ovog fotonskog gasa postiže se interakcijom sa zidovima šupljine. Nastaje kada zidovi emituju onoliko fotona u jedinici vremena koliko apsorbuju. U tom slučaju se unutar zapremine uspostavlja određena raspodjela energije čestica. Bose je dobio Plankov zakon zračenja crnog tijela bez upotrebe elektrodinamike, već jednostavno modifikujući proračun kvantnih stanja sistema fotona u faznom prostoru. Konkretno, utvrđeno je da je broj fotona u apsolutno crnoj šupljini, čija energija pada na interval od do jednak:

gdje je zapremina šupljine, je Diracova konstanta, je temperatura ravnotežnog fotonskog plina (poklapa se s temperaturom zidova).

U stanju ravnoteže, elektromagnetno zračenje u apsolutno crnoj šupljini (tzv. termalno ravnotežno zračenje ili zračenje crnog tijela) opisuje se istim termodinamičkim parametrima kao i običan plin: zapremina, temperatura, energija, entropija itd. pritisak na zidove, jer fotoni imaju impuls. Odnos ovog pritiska i temperature odražava se u jednadžbi stanja za fotonski gas:

gdje je Stefan-Boltzmannova konstanta.

Ajnštajn je pokazao da je ova modifikacija ekvivalentna priznavanju da su fotoni striktno identični jedan drugom, a između njih se podrazumeva prisustvo „misteriozne nelokalne interakcije“, koja se sada shvata kao zahtev da kvantnomehanička stanja budu simetrična u odnosu na permutaciju čestica. Ovaj rad je na kraju doveo do koncepta koherentnih stanja i doprineo pronalasku lasera. U istim člancima, Einstein je proširio Boseove ideje na elementarne čestice s cjelobrojnim spinom (bozone) i predvidio fenomen masovnog prijelaza čestica degeneriranog bozonskog plina u stanje s minimalnom energijom kada temperatura padne na određenu kritičnu vrijednost ( Bose-Einstein kondenzacija). Ovaj efekat je eksperimentalno uočen 1995. godine, a 2001. godine autori eksperimenta su dobili Nobelovu nagradu. U modernom smislu, bozoni, uključujući fotone, pokoravaju se Bose-Einstein statistici, a fermioni, na primjer, elektroni, pokoravaju se Fermi-Dirac statistici.

Spontana i stimulirana emisija

Einstein je započeo postavljanjem jednostavnih odnosa između stopa apsorpcije i reakcija emisije. U njegovom modelu, stopa apsorpcije fotona frekvencije i prijelaza atoma sa energetskog nivoa na viši nivo s energijom proporcionalna je broju atoma sa energijom i spektralnoj gustini zračenja za okolne fotone iste frekvencije:

Ovdje je konstanta brzine reakcije apsorpcije (koeficijent apsorpcije). Za implementaciju obrnutog procesa postoje dvije mogućnosti: spontana emisija fotona i povratak elektrona na niži nivo kroz interakciju sa slučajnim fotonom. Prema gore opisanom pristupu, odgovarajuća brzina reakcije, koja karakteriše emisiju frekvencijskih fotona od strane sistema i prelazak atoma sa višeg energetskog nivoa na niži sa energijom, jednaka je:

Ovdje je koeficijent spontane emisije, koeficijent odgovoran za stimuliranu emisiju pod djelovanjem slučajnih fotona. U termodinamičkoj ravnoteži, broj atoma u energetskom stanju i u prosjeku bi trebao biti konstantan u vremenu, dakle, vrijednosti i trebale bi biti jednake. Osim toga, po analogiji sa zaključcima Boltzmannove statistike, vrijedi sljedeća relacija:

gdje je višestrukost degeneracije energetskih nivoa i , je energija ovih nivoa, je Boltzmannova konstanta , je temperatura sistema. Iz navedenog proizilazi da:

Koeficijenti i nazivaju se Einsteinovi koeficijenti.

Einstein nije uspio u potpunosti objasniti sve ove jednačine, ali je vjerovao da će u budućnosti biti moguće izračunati koeficijente , i , kada se "mehanika i elektrodinamika promijene tako da odgovaraju kvantnoj hipotezi." I zaista se dogodilo. Godine 1926. Paul Dirac je dobio konstantu koristeći semiklasični pristup i uspješno pronašao sve ove konstante zasnovane na osnovnim principima kvantne teorije. Ovaj rad je postao temelj kvantne elektrodinamike, odnosno teorije kvantizacije elektromagnetnog polja. Diracov pristup, nazvan druga metoda kvantizacije, postao je jedna od glavnih metoda kvantne teorije polja. Treba još jednom napomenuti da su u ranoj kvantnoj mehanici samo čestice materije, a ne i elektromagnetno polje, tretirane kao kvantnomehaničke.

Einstein je bio zabrinut što se njegova teorija čini nekompletnom jer nije opisala smjer spontana emisija foton. Vjerojatnu prirodu kretanja svjetlosnih čestica prvi je razmatrao Isaac Newton u svom objašnjenju fenomena dvolomnosti (efekt cijepanja snopa svjetlosti na dvije komponente u anizotropnom mediju) i, općenito govoreći, fenomena cijepanja svjetlosti snopove granicom dva medija u reflektirane i prelomljene zrake. Newton je sugerirao da "skrivene varijable" koje karakteriziraju svjetlosne čestice određuju koji će od dva podijeljena snopa određena čestica ići. Slično, Ajnštajn, počevši da se distancira od kvantne mehanike, nadao se pojavi opštije teorije mikrosvijeta, u kojoj neće biti mjesta za slučaj. Primjetno je da je Max Bornovo uvođenje probabilističke interpretacije valne funkcije stimulisano kasnijim radom Ajnštajna, koji je tražio opštiju teoriju.

Druga kvantizacija

Matematički, druga metoda kvantizacije je da se kvantni sistem sastoji od veliki broj identične čestice , opisuje se pomoću valnih funkcija, u kojima brojevi okupacije igraju ulogu nezavisnih varijabli. Druga kvantizacija se izvodi uvođenjem operatora koji povećavaju i smanjuju broj čestica u datom stanju (broj zauzetosti) za jedan. Ovi operatori se ponekad nazivaju operatorima rođenja i poništenja. Matematički, svojstva operatora popunjavanja i anihilacije data su permutacionim relacijama, čiji je oblik određen spinom čestice. Sa takvim opisom, sama valna funkcija postaje operator.

U modernoj fizičkoj notaciji kvantno stanje elektromagnetno polje je zapisano kao Fokovo stanje, tenzorski proizvod stanja svakog elektromagnetnog moda:

gdje je stanje sa brojem fotona u modu. Stvaranje novog fotona (na primjer, emitiranog u atomskom prijelazu) u modu se zapisuje na sljedeći način:

Foton kao merni bozon

Glavni članak: Gauge theory

Maxwellove jednadžbe koje opisuju elektromagnetno polje mogu se dobiti iz reprezentacija mjerne teorije kao posljedica ispunjenja zahtjeva mjerne invarijantnosti elektrona u odnosu na transformaciju prostorno-vremenskih koordinata. Za elektromagnetno polje, ova mjerna simetrija odražava sposobnost kompleksnih brojeva da mijenjaju imaginarni dio bez utjecaja na stvarni dio, kao što je slučaj s energijom ili Lagranžijanom.

U Standardnom modelu, foton je jedan od četiri merna bozona uključena u elektroslabu interakciju. Preostala tri (W + , W − i Z 0) nazivaju se vektorski bozoni i odgovorni su samo za slabu interakciju. Za razliku od fotona, vektorski bozoni imaju masu, moraju biti masivni zbog činjenice da se slaba interakcija manifestuje samo na vrlo malim udaljenostima,<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.

Doprinos fotona masi sistema

Fotoni u materiji

Svjetlost putuje u providnom mediju brzinom manjom od brzine svjetlosti u vakuumu. Na primjer, fotonima koji dožive mnoge sudare na svom putu iz zračećeg solarnog jezgra može trebati oko milion godina da stignu do površine Sunca. Međutim, krećući se u svemiru, isti fotoni stižu do Zemlje za samo 8,3 minuta. Vrijednost koja karakterizira smanjenje brzine svjetlosti naziva se indeks prelamanja tvari.

Sa klasične tačke gledišta, usporavanje se može objasniti na sljedeći način. Pod utjecajem jakosti električnog polja svjetlosnog vala, valentni elektroni atoma medija počinju vršiti prisilne harmonijske oscilacije. Oscilirajući elektroni počinju, sa određenim zakašnjenjem, da zrače sekundarne valove iste frekvencije i intenziteta kao i upadna svjetlost, koji interferiraju s izvornim valom, usporavajući ga. U korpuskularnom modelu, usporavanje se umjesto toga može opisati miješanjem fotona s kvantnim perturbacijama u materiji (kvazičestice, poput fonona i eksitona) kako bi se formirao polariton. Takav polariton ima efektivnu masu različitu od nule, zbog čega se više ne može kretati brzinom. Efekat interakcije fotona sa drugim kvazičesticama može se posmatrati direktno u Raman efektu i u Mandelstam-Brillouin rasejanju.

Slično, fotoni se mogu posmatrati kao čestice koje se uvijek kreću brzinom svjetlosti, čak iu materiji, ali doživljavaju fazni pomak (kašnjenje ili napredovanje) zbog interakcije s atomima koji mijenjaju njihovu valnu dužinu i zamah, ali ne i brzinu. Talasni paketi koji se sastoje od ovih fotona kreću se brzinom manjom od . Sa ove tačke gledišta, fotoni su, takoreći, "goli", zbog čega se raspršuju atomima, a njihova faza se mijenja. Dok se, sa stanovišta opisanog u prethodnom paragrafu, fotoni „obuče“ kroz interakciju sa materijom i kreću se bez raspršenja i faznog pomaka, ali manjom brzinom.

U zavisnosti od frekvencije, svjetlost se širi kroz materiju različitim brzinama. Ova pojava u optici naziva se disperzija. Kada se stvore određeni uslovi, moguće je postići da brzina prostiranja svjetlosti u supstanci postane izuzetno mala (tzv. "sporo svjetlo"). Suština metode je da je korištenjem efekta elektromagnetski inducirane prozirnosti moguće dobiti medij s vrlo uskim padom u njegovom spektru apsorpcije. U ovom slučaju uočava se izuzetno strma promjena indeksa prelamanja u području ovog pada. To jest, u ovom području kombiniraju se ogromna disperzija medija (s normalnom spektralnom ovisnošću - povećanje indeksa loma prema povećanju frekvencije) i njegova transparentnost za zračenje. Ovo obezbeđuje značajno smanjenje grupne brzine svetlosti (do 0,091 mm / pod određenim uslovima).

Fotone također mogu apsorbirati jezgra, atomi ili molekuli, uzrokujući prijelaz između njihovih energetskih stanja. Klasičan primjer ukazuje na apsorpciju fotona od strane vidnog pigmenta retinalnih štapića rodopsina, koji sadrži retinal, derivat retinola (vitamina A), odgovoran za ljudski vid, što je 1958. ustanovio američki biohemičar, nobelovac George. Wald i njegovi saradnici. Apsorpcija fotona od strane molekule rodopsina uzrokuje reakciju trans-izomerizacije retine, što dovodi do razgradnje rodopsina. Dakle, u kombinaciji sa drugim fiziološkim procesima, energija fotona se pretvara u energiju nervnog impulsa. Apsorpcija fotona može čak uzrokovati prekid hemijskih veza, kao kod fotodisocijacije hlora; takvi procesi su predmet proučavanja u fotohemiji.

Tehnička primjena

Postoji mnogo tehničkih uređaja koji na neki način koriste fotone u svom radu. U nastavku su samo neke od njih u svrhu ilustracije.

Važan tehnički uređaj koji koristi fotone je laser. Njegov rad se zasniva na fenomenu stimulisane emisije o kojem je bilo reči. Laseri se koriste u mnogim oblastima tehnologije. Tehnološki procesi (zavarivanje, rezanje i topljenje metala) izvode se uglavnom gasnim laserima velike prosječne snage. U metalurgiji omogućavaju dobijanje superčistih metala. Ultrastabilni laseri su osnova optičkih standarda frekvencije, laserskih seizmografa, gravimetara i drugih preciznih fizičkih instrumenata. Frekvencijski podesivi laseri (na primjer, laser na boji) revolucionirali su spektroskopiju, značajno povećavajući rezoluciju i osjetljivost metode sve do posmatranja spektra pojedinačnih atoma. Laseri se u medicini koriste i kao beskrvni skalpeli, u liječenju očnih i kožnih oboljenja. Lasersko dometanje doprinijelo je usavršavanju svemirskih navigacijskih sistema, proširilo znanje o atmosferi i strukturi površine planeta, omogućilo mjerenje brzine rotacije Venere i Merkura, značajno poboljšalo karakteristike kretanja Mjeseca i planeta Venera u poređenju sa astronomskim podacima. Uz pomoć lasera pokušavaju riješiti problem kontrolirane termonuklearne fuzije. Laseri se široko koriste u svakodnevnom životu (laserski štampači, DVD-ovi, laserski pokazivači, itd.).

Emisija i apsorpcija fotona materijom se koristi u spektralnoj analizi. Atomi svakog kemijskog elementa imaju strogo definirane rezonantne frekvencije, zbog čega upravo na tim frekvencijama emituju ili upijaju svjetlost. To dovodi do činjenice da su spektri emisije i apsorpcije atoma i molekula koji se od njih sastoje individualni, poput ljudskih otisaka prstiju.

Prema korištenim metodama razlikuje se nekoliko vrsta spektralne analize:

1. Emisivno, koristeći emisione spektre atoma, rjeđe - molekula. Ova vrsta analize uključuje spaljivanje nekog uzorka u plamenu plinskog plamenika, DC ili AC električni luk ili visokonaponsku električnu iskru. Poseban slučaj emisione analize je luminescentna analiza.
2. apsorpcija, koji koristi apsorpcijski spektar, uglavnom molekula, ali se može primijeniti i na atome. Ovdje se uzorak u potpunosti pretvara u plinovito stanje i kroz njega prolazi svjetlost iz izvora kontinuiranog zračenja. Na izlazu, na pozadini kontinuiranog spektra, uočava se apsorpcijski spektar isparene tvari.
3. rendgenski snimak, koji koristi rendgenske spektre atoma, kao i difrakciju rendgenskih zraka dok prolaze kroz predmet koji se proučava za proučavanje njegove strukture. Glavna prednost metode je što rendgenski spektri sadrže nekoliko linija, što uvelike olakšava proučavanje sastava uzorka. Među nedostacima su niska osjetljivost i složenost opreme.

U kvalitativnoj spektralnoj analizi određuje se samo sastav uzorka bez navođenja kvantitativnog omjera komponenti. Posljednji problem rješava se kvantitativnom spektralnom analizom, na osnovu činjenice da intenzitet linija u spektru ovisi o sadržaju odgovarajuće tvari u ispitivanom uzorku. Dakle, spektrom supstance može se odrediti njen hemijski sastav. Spektralna analiza je osjetljiva metoda i široko se koristi u analitičkoj hemiji, astrofizici, metalurgiji, mašinstvu, geološkim istraživanjima i drugim granama nauke.

Najnovija istraživanja

Danas se vjeruje da su svojstva fotona dobro shvaćena u teoriji. Standardni model fotone tretira kao spin-1 gauge bozone sa nultom masom mirovanja i nultim električnim nabojem (potonji proizlazi, posebno, iz lokalne unitarne simetrije U(1) i iz eksperimenata o elektromagnetnoj interakciji). Međutim, fizičari nastavljaju tražiti nedosljednosti između eksperimenta i odredbi Standardnog modela. Točnost tekućih eksperimenata za određivanje mase i naboja fotona stalno raste. Otkriće čak i najmanje količine naboja ili mase u fotonima bi zadalo ozbiljan udarac Standardnom modelu. Svi do sada sprovedeni eksperimenti pokazuju da fotoni nemaju ni naboj ni masu mirovanja.Najveća tačnost sa kojom je bilo moguće izmeriti naelektrisanje fotona je 5 10 −52 C(ili 3 10 −33 ); za masu - 1,1 10 −52 kg (6 10 −17 eV / 2 ili 1 10 −22 ).

Mnogo savremenih istraživanja posvećeno je primeni fotona u oblasti kvantne optike. Čini se da su fotoni prikladne čestice za stvaranje superefikasnih kvantnih kompjutera zasnovanih na njima. Proučavanje kvantne isprepletenosti i povezane kvantne teleportacije također je prioritetno područje modernih istraživanja. Osim toga, proučavaju se nelinearni optički procesi i sistemi, posebno fenomen dvofotonske apsorpcije, modulacije u fazi i optičkih parametarskih oscilatora. Međutim, takve pojave i sistemi uglavnom ne zahtijevaju korištenje fotona u sebi. Često se mogu modelirati razmatranjem atoma kao nelinearnih oscilatora. Nelinearni optički proces spontanog parametarskog rasejanja se često koristi za stvaranje zapletenih fotonskih stanja. Konačno, fotoni se koriste u optičkoj komunikaciji, uključujući

Photon. Struktura fotona. Princip kretanja.

Dio 1. Početni podaci.

Dio 1. Početni podaci.

1.1. Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja.

1.2. Foton se ne može podijeliti na nekoliko dijelova i ne raspada se spontano u vakuumu.

1.3. Foton je zaista električki neutralna čestica. Brzina kretanja (kretanja) fotona u vakuumu jednaka je "c".

1.4. Svjetlost je tok lokaliziranih čestica - fotona.

1.5 . Fotoni se emituju u mnogim prirodnim procesima, na primjer: kada se nabijene čestice kreću ubrzano (kočno, sinhrotronsko, ciklotronsko zračenje) ili kada elektron prijeđe iz pobuđenog stanja u stanje s nižom energijom. To se događa kao rezultat glavne fundamentalne transformacije u prirodi - transformacije kinetičke energije nabijene čestice u elektromagnetnu (i obrnuto).

1.6. Foton karakterizira korpuskularno-valni dualizam:

S jedne strane, fotoni demonstriraju svojstva talasa u fenomenima difrakcije i interferencije na skali koja je uporediva sa talasnom dužinom fotona;

S druge strane, foton se ponaša kao čestica koju emituju ili u potpunosti apsorbuju objekti čije su dimenzije mnogo manje od njegove valne dužine (na primjer, atomska jezgra) ili se smatraju točkastim (elektron).

1.7. S obzirom na to da je samac fotoni demonstriraju svojstva talasa, može se prilično pouzdano tvrditi da je foton „minival“ (zaseban, kompaktan „komad“ talasa). U ovom slučaju treba uzeti u obzir sljedeća svojstva valova:

a) uh Elektromagnetski valovi (i foton) su poprečni valovi u kojima vektori električnog (E) i magnetskog (H) polja osciliraju okomito na smjer širenja valova. mogu se prenijeti od izvora do prijemnika, uključujući i kroz vakuum. Nije im potreban medij za njihovu distribuciju.

b) polovina energije elektromagnetnih talasa (i fotona) je magnetna.

c) za karakterizaciju intenziteta talasnog procesa koriste se tri parametra: amplituda talasnog procesa, gustina energijetalasni proces i gustina toka energije.

1.8. Osim toga, prilikom razmatranja sheme strukture fotona i principa njegovog kretanja, uzeti su u obzir sljedeći podaci:

a) emisija fotona praktično prolazi kroz vremenski period od 10 -7 sekundi - 10 -15 sekundi. Tokom ovog perioda, elektromagnetno polje fotona raste od nule do maksimuma i ponovo pada na nulu. Vidi sl.1.

b) graf promjene fotonskog polja ni na koji način ne može biti komad skraćene sinusoide, jer na mestima rezanja bi se pojavile beskonačne sile;

u) budući da je frekvencija elektromagnetnog talasa veličina koja se opaža u eksperimentima, ista frekvencija (i talasna dužina) se takođe može pripisati pojedinačnom fotonu. Stoga se parametri fotona, poput valova, opisuju formulom E = h* f , gdje je h Plankova konstanta, koja povezuje veličinu energije fotona sa njegovom frekvencijom ( f).

Rice. 1. Foton je materijalna čestica i kompaktan je (koji ima početak i kraj), nedjeljiv "komad" vala, u kojem se elektromagnetno polje povećava od nule do određenog maksimuma i opet pada na nulu. Magnetna polja se konvencionalno ne prikazuju.

Dio 2. Osnovni principi strukture fotona.

2.1. U gotovo svim člancima o elektromagnetnim valovima (fotonima), slike opisuju i grafički prikazuju val koji se sastoji od dva polja - električnog i magnetskog, na primjer, citat: "Elektromagnetno polje je kombinacija električnih magnetskih polja...". Međutim, postojanje “dvokomponentnog” elektromagnetnog vala (i fotona) nemoguće je iz jednog jednostavnog razloga: jednokomponentno električno i jednokomponentno magnetsko polje u elektromagnetnom valu (fotonu) ne postoji i ne može postojati. Objašnjenje:

a) postoje teorijski modeli-formule-zakoni koji se koriste za izračunavanje ili određivanje parametara u idealnim uslovima (na primjer, teorijski model idealnog plina). Ovo je sasvim prihvatljivo. Međutim, za proračune u realnim uslovima, u ove formule se unose korektivni faktori koji odražavaju stvarne parametre sredine.

b) postoji i teorijski model koji se naziva "električno polje". Ovo je prihvatljivo za rješavanje teorijskih problema. Međutim, u stvarnosti postoje samo dva električna polja: električno polje-plus (#1) i električno polje-minus (#2). Supstance koje se nazivaju „bez punjenja? električno neutralan? električno polje br. 3 ne postoji u stvarnosti, i ne može postojati. Stoga je prilikom modeliranja realnih uslova u teorijskom modelu zvanom "električno polje" uvijek potrebno uzeti u obzir dva "korekciona faktora" - realno električno polje-plus i realno električno polje-minus.

c) postoji teorijski model koji se zove "magnetno polje". Ovo je sasvim prihvatljivo za neke zadatke. Međutim, u stvarnosti, magnetno polje uvijek ima dva magnetna pola: pol #1 (N) i pol #2 (S). Supstance koje se nazivaju „nepolarne? magnetno polje broj 3 ne postoji i ne može postojati u stvarnosti.Stoga, prilikom modeliranja realnih uslova u teorijskom modelu koji se zove „magnetno polje“, uvek je potrebno uzeti u obzir dva „korekciona faktora“ - pol-N i pol- S.

2.2. Dakle, uzimajući u obzir gore navedeno, možemo donijeti sasvim nedvosmislen zaključak: foton je kompaktna (ima početak i kraj), materijalna čestica, u kojoj je materija kombinacija dva električna (plus ili minus) i dva magnetna (N-S) polja koja se mogu širiti od svojih izvora bez slabljenja (u vakuumu) na proizvoljno velike udaljenosti. Vidi sl.2.

Fig.2. Foton je kombinacija dva električna polja (plus i minus) i dva magnetna polja (N i S). U ovom slučaju, ukupna elektroneutralnost fotona je u potpunosti uočena. U ovom radu se pretpostavlja da je minus električno polje spojeno sa magnetnim poljem-N, a plus električno polje povezano sa magnetnim poljem-S.

Dio 3. Kvant energije i kvant mase.

3.1. S jedne strane, foton je kompaktna, nedjeljiva čestica, u kojoj se elektromagnetno polje povećava od nule do određenog maksimuma i opet pada na nulu. To jest, foton ima vrlo realnu linearnu veličinu (početak i kraj).

3.2. Međutim, s druge strane, parametri fotona, poput valova, opisuju se formulom E = h* f , gdje je h - Plankova konstanta (eV * sec), elementarni kvant akcije (osnovna svjetska konstanta), koja povezuje vrijednost energije fotona sa njegovom frekvencijom ( f).

3.3. To nam omogućava da to pretpostavimo svi fotoni se sastoje od dobro definiranog broja (n) "nezavisnih" električno neutralnih "prosječnih" kvanta elementarne energije (eV) sa apsolutno istom talasnom dužinom ( L ). U ovom slučaju, energija bilo kog fotona je: E = e 1 *n, gdje je (e 1 ) je energija elementarnog kvanta, (n) je njihov broj u fotonu. Vidi sl.3.

Fig.3.

a) "normalni" foton (elektromagnetno polje raste od nule do određenog maksimuma i ponovo pada na nulu);

b) isti foton iz "usrednjenih" kvanta. Može se pretpostaviti da se bilo koji foton sastoji od dobro definiranog broja apsolutno identičnih "prosječnih" kvanta elementarne energije;

c) elementarni "prosječni" kvant energije fotona. Elementarni kvant energije (dimenzija - eV) je apsolutno isti za sve elektromagnetne talase svih opsega i sličan je elementarnom kvantu Planckove akcije, (dimenzija - eV*sec). U ovom slučaju: E (eV) = h* f = e 1 *n.

3.4. Stvar fotona. Fotoni se emituju kao rezultat glavne fundamentalne transformacije u prirodi - transformacije kinetičke energije nabijene čestice u elektromagnetsku energiju i obrnuto - transformacije elektromagnetske energije fotona u kinetičku energiju nabijene čestice. Međutim, kinetička energija je nematerijalna, a elektromagnetska energija fotona ima sva svojstva materije. Dakle: kao rezultat glavne fundamentalne transformacije u prirodi, nematerijalna kinetička energija nabijene čestice pretvara se u energiju električnog i magnetskog polja fotona, koji ima sasvim realna svojstva materije: zamah, brzinu, masu , i druge karakteristike. Pošto je foton materijal, svi njegovi sastavni dijelovi su također materijalni. To jest: elementarni kvant energije je automatski elementarni kvant mase.

3.5. Svaki foton se sastoji od dobro definiranog broja "nezavisnih" električno neutralnih kvanta elementarne energije. I pregled šeme struktura elementarnog kvanta pokazuje da:

a) elementarni kvant se ne može podijeliti na dva jednaka dijela, jer će to automatski biti kršenje zakona održanja naboja;

b) takođe je nemoguće „odsjeći“ manji dio od elementarnog kvanta, jer će to automatski dovesti do promjene vrijednosti Planckove konstante (fundamentalne konstante) za ovaj kvant.

3.6. posljedično:

Prvo. Transformacija elektromagnetske energije fotona u kinetičku energiju nabijene čestice ne može biti kontinuirana funkcija - elektromagnetska energija se može pretvoriti u kinetičku energiju čestica (i obrnuto) samo pri vrijednostima energije koje su višestruke od jednog elementa. kvant energije.

Sekunda. Pošto su školjke kvarkova, protoni, neutroni i druge čestice suzbijena električki neutralna materija fotona, tada su bitne i mase ovih školjki , višekratnici kvanta elementarne mase.

3.7. Napomena: ipak je podjela elementarnih kvanta na dva apsolutno jednaka dijela (pozitivni i negativni) sasvim moguća (i događa se) prilikom formiranja parova elektron-pozitron. U ovom slučaju, masa elektrona i pozitronastvar , višekratnici polovine elementarnog kvanta mase (vidi " Elektron. Formiranje i struktura elektrona. Magnetski monopol elektrona).

Dio 4. Osnovni principi kretanja fotona.

4.1. Kretanje materijalnog fotona-čestice može se izvesti samo na dva načina:

Opcija-1: foton se kreće po inerciji;

Opcija-2: foton je samohodna čestica.

4.2. Iz nepoznatih razloga, inercijalno kretanje elektromagnetnih talasa (i fotona) se ili podrazumeva ili spominje i grafički prikazuje u skoro svim člancima o elektromagnetnim talasima, na primer: Wikipedia. elektromagnetno zračenje. engleski. Vidi sl.4.

Fig.4. Primjer inercijalnog kretanja fotona (Wikipedia. Elektromagnetno zračenje). Foton se kreće pored posmatrača s lijeva na desno brzinom V = "sa". U ovom slučaju, sve latice sinusoida ne mijenjaju svoje parametre, odnosno: u referentnom okviru fotona su apsolutno nepomične.

4.3. Međutim, inercijalno kretanje fotona je nemoguće, na primjer, iz sljedećeg razloga: kada foton prođe kroz prepreku (staklo), njegova brzina se smanjuje, ali nakon što prođe kroz prepreku (jednu ili više), foton ponovo “ trenutno” i vraća svoju brzinu na “c” = const. Kod inercijalnog kretanja, takav neovisni oporavak brzine je nemoguć.

4.4. "Trenutačno" povećanje brzine fotona (do "c" = const) nakon prolaska kroz prepreku moguće je samo ako je sam foton samohodna čestica. U ovom slučaju, mehanizam samokretanja fotona može biti samo preokret polariteta raspoloživih električnih (plus i minus) i magnetskih (N i S) polja uz istovremeni pomak fotona za pola perioda, tj. udvostručena frekvencija (2* f). Vidi sl.5.

Fig.5. Shema kretanja fotona zbog promjene polariteta polja. "Fragment" - redoslijed obrnuta polariteta polja-plus.

4.5. Objašnjenje mehanizma kretanja fotona baziralo se na sljedećim podacima:

a) elektromagnetno polje fotona je kombinacija varijabilnih električnih (plus ili minus) i magnetnih (N i S) polja;

b) električno i magnetsko polje fotona ne mogu nestati - mogu se samo pretvoriti jedno u drugo. Stvaranje magnetnog polja naizmjeničnim električnim poljem je fundamentalni prirodni fenomen;

c) magnetno polje se pojavljuje samo u prisustvu vremenski promjenjivog električnog polja i obrnuto (svaka promjena električnog polja pobuđuje magnetsko polje i, zauzvrat, promjena magnetskog polja pobuđuje električno polje). Stoga, magnetna polja fotona mogu nastati samo ako foton ima promjenjive predznake i električna polja koja se mijenjaju u vremenu (u referentnom okviru fotona).

4.6. Prilikom objašnjavanja mehanizma preokretanja polariteta fotona, razmatrane su sljedeće opcije:

a) prisustvo slobodnog prostora ispred fotona. Foton je kompaktan, nedjeljiv “komad” vala u obliku sinusoida, u kojem se elektromagnetna polja povećavaju od nule do određenog maksimuma i opet padaju na nulu. To jest: "telo" fotona ima vrlo realnu geometrijsku dužinu (početak i kraj). Kretanje fotona nastaje zbog kretanja fotona na udaljenosti od jednog poluciklusa (1/2L) za svaki čin promjene polariteta. A ovo kretanje se uvijek može dogoditi samo u jednom smjeru (naprijed), gdje postoji slobodan prostor ispred fotona;

b) "Borba suprotnosti." Elektromagnetno polje fotona je kombinacija naizmjeničnih električnih (plus ili minus) i magnetnih (N i S) polja. U ovom radu se pretpostavlja da je minus električno polje spojeno sa magnetnim poljem-N, a plus električno polje povezano sa magnetnim poljem-S. Ali u ovom slučaju postoji stalna (i legitimna) želja magnetnih polja N i S da se spoje jedno s drugim, odnosno da stvore punopravni "bipolarni magnet". Da biste to učinili, jedno od magnetnih polja mora se pomaknuti za pola perioda. Međutim, magnetsko i električno polje su „čvrsto“ međusobno povezane, a svaki pokušaj magnetnog polja da se „trenutačno oslobodi“ električnog polja dovodi do reakcije protivdejstva – izaziva preokret (transfer) polariteta svih polja i njihovo automatsko prebacivanje na pola perioda.

4.7. Budući da ne postoje druge mogućnosti za objašnjenje mehanizma samokretanja fotona, kretanje fotona zbog preokretanja polja, po svemu sudeći, predstavlja jedino rješenje problema. Jer samo način zaokretanja polariteta omogućava održavanje režima samopokretanja fotona i istovremeno osigurava usklađenost s osnovnim zakonom prirode - stvaranje magnetskog polja u prisustvu električnog polja koje mijenja predznak i mijenja se u vremenu ( i obrnuto). Predložene varijante mehanizma preokretanja polariteta (uzroci i redoslijed) zahtijevaju dodatna istraživanja, koja se u ovom radu ne mogu prikazati. Ipak, gornja objašnjenja su prihvatljiv izlaz iz postojeće situacije u rješavanju problema konstantnosti brzine svjetlosti, budući da omogućavaju jedan ili drugi stepen sigurnosti da se objasni mehanizam samokretanja fotona.

4.8. brzina fotona. Brzina(e) elektromagnetnih talasa (fotona) u vakuumu, njihova frekvencija ( f) i talasnu dužinu (L ) su kruto povezane formulom: s = f*L . Međutim, treba imati na umu da do kretanja fotona dolazi zbog istovremenog preokretanja njegovog električnog i magnetskog polja, pri čemu se foton pomjera za udaljenost od jednog poluciklusa (L/2) za svaki čin preokret polariteta, odnosno sa udvostručenom frekvencijom. Imajući to na umu, formula brzine će izgledati kao c \u003d 2 f*L /2, što je apsolutno identično glavnoj formuli: c = f*L.

5. Način:

5.1. Foton je lokalizirana (kompaktna) čestica materijala, u kojoj je materija kombinacija dva električna (plus i minus) i dva magnetna (N i S) polja čije vrijednosti rastu od nule do određenog maksimuma i ponovo pasti na nulu. U ovom slučaju, ukupna elektroneutralnost fotona je u potpunosti uočena.

5.2. Kao rezultat glavne fundamentalne transformacije u prirodi, nematerijalna kinetička energija nabijene čestice pretvara se u materijalnu energiju električnog i magnetskog polja fotona. Foton je materijal i sastoji se od dobro definiranog broja apsolutno identičnih "prosječnih" kvanta elementarne energije, koji su automatski kvanti elementarne mase.

5.3. Foton je samohodna čestica sposobna da se kreće od svog izvora na proizvoljno velike udaljenosti (u vakuumu). Za svoje kretanje nije potreban medij. Kretanje fotona nastaje zbog preokreta polariteta naizmjeničnih električnih (plus ili minus) i magnetnih (N i S) polja, pri čemu se foton pomjera za razdaljinu od jednog poluciklusa za svaki događaj promjene polariteta.

5.4. U ovom radu se pretpostavlja da se u svakom elementarnom kvantu minus električno polje spaja sa magnetnim poljem-N, a plus električno polje spaja sa magnetnim poljem-S. Ostale mogućnosti spajanja polja zahtijevaju dodatnu razradu i nisu razmatrane u ovom radu.