Foton

Din cele mai vechi timpuri, se știe despre fenomenele de reflexie și refracție a luminii. Esența acestor fenomene, adevărata lor natură nu este încă clară pentru știința oficială, totul este construit pe teoria probabilității.

În modern literatura stiintifica un foton se numește cuantic câmp electromagnetic, probabil o particulă elementară, care în lumina teoriilor moderne este prezentată ca purtătoare interacțiune electromagnetică. Deși, de fapt, numele modern „foton” înseamnă doar un proces observat - cele mai mici „porțiuni”, „raze” de lumină care alcătuiesc undele de radiație electromagnetică, inclusiv lumina vizibila, unde radio, raze X, impulsuri laser și așa mai departe.

Conceptul de foton (din cuvântul grecesc antic „φωτός” (fotografii) – „lumină”) a fost introdus în 1926 de chimistul american Gilbert Newton Lewis. Apropo, el considera fotonii „necreați și indestructibili” (aceasta este similară cu istoria introducerii conceptului de atom de către chimistul John Dalton, care și-a bazat raționamentul pe cunoștințele antice despre particulele indivizibile).

Astăzi, fotonul este notat în fizică prin simbolul literei grecești gamma - γ. Această denumire este asociată cu descoperirea în 1900 a radiațiilor gamma, constând din fotoni de înaltă energie. A fost realizată de fizicianul francez Paul Villars în procesul de studiu a radiației de radiu într-un câmp magnetic puternic. Ulterior, fizicianul englez Ernest Rutherford, care a numit anterior două tipuri de radiații de uraniu drept raze alfa și beta, a descoperit că noul tip de radiație descoperit de Villar avea o putere de penetrare mare. El a dat numele acestei radiații „raze gamma”.

„Într-un articol științific din 1926, Gilbert Lewis scrie: „Exprim ipoteza că aici avem de-a face cu un nou tip de atom, un obiect neidentificat, necreat și indestructibil, care acționează ca purtător al energiei radiațiilor și, după absorbție, rămâne ca componentă principală a atomului absorbit până când iese din nou cu o nouă cantitate de energie... Îmi asum libertatea de a sugera acestui ipotetic atom nou, care nu este lumină, dar joacă un rol important în toate procesele de radiație , numele „foton” ”. Un fapt interesant este că Gilbert Lewis a considerat fotonul ca fiind tocmai „purtător de radiație / energie de radiație”, și nu această energie în sine (acum fizicienii consideră fotonul ca purtător al forței electromagnetice). De atunci, cuvântul „foton” a intrat rapid în uz.

Referințe: Lewis, Gilbert N. The conservation of photons Nature 118, 1926, pp. 874–875; Lewis, Gilbert N. Natura luminii. Proceedings of the National Academy of Science 12, 1926, p. 22-29; Roychoudhuri, Chandra, Kracklauer, A.F., Creath, Kathy. Natura luminii: Ce este un foton? CRC Press, 2008.

Descoperirea fotonului a stimulat semnificativ dezvoltarea fizicii teoretice și experimentale, inclusiv Chimie Fizica(fotochimie), mecanica cuantică etc. Oamenii au început să înțeleagă aproximativ și să folosească manifestările unor astfel de manifestări fenomene fizice, Cum electricitate, un flux de fotoni. Dar cunoștințele despre cea mai mică structură a acestor fenomene sunt aproximative, deoarece până acum știința oficială nu poate explica în ce constă exact același electron sau foton însuși (deși această cunoaștere despre adevărata natură a microcosmosului era în vremuri străvechi).

Natura fotonului rămâne un mister pentru oamenii de știință. Dar chiar și bazându-se pe rezultatele cercetărilor care au fost înregistrate în procesul de observare, datorită experimentelor, s-au făcut descoperiri care au fost utilizate pe scară largă în viața societății. Au fost inventate o varietate de dispozitive tehnice, al căror principiu de funcționare este asociat cu utilizarea fotonilor. De exemplu, tomografie computerizată, generator cuantic (maser), laser și așa mai departe. Laserul și-a găsit cea mai largă aplicație practică în industrie, medicină, viața de zi cu zi, variind de la crearea de instrumente fizice de înaltă precizie - seismografe, gravimetre, bisturii cu laser utilizate în microchirurgie, până la crearea de procese tehnologice pentru sudare, tăiere metale, uz casnic. imprimante laser și așa mai departe. Fotonii sunt folosiți și în analiza spectrală (studiul spectrelor radiațiilor electromagnetice ale atomilor se realizează prin spectroscopie atomică). Prin studiul fotonilor, oamenii de știință au descoperit că atomii fiecărui element chimic au frecvențe de rezonanță bine definite. Tocmai la aceste frecvențe emit și absorb lumină (fotoni). Adică, la fel cum fiecare persoană are amprente individuale, la fel fiecare element chimic are propriul spectru unic de emisie și absorbție. Și toate acestea sunt doar începutul studiului unei structuri unice precum un foton, care participă activ la diferite procese de putere și interacțiuni din natură.

Toată fizica teoretică a particulelor elementare este construită pe teoria probabilității. Cu toate acestea, analiza fundamentelor obiective ale teoriei probabilității a fost discutată activ doar în timpul creării mecanicii cuantice. Acum natura probabilității nu este discutată atât de viu de către fizicieni. Pe de o parte, toată lumea admite că este inclusă în fundamentele microproceselor, iar pe de altă parte, în cursul cercetării în sine, se vorbește puțin despre ea, de parcă ar avea un rol secundar. Acest lucru este valabil mai ales pentru fizica particulelor elementare, unde, având în vedere caracteristicile stărilor interne și proprietățile particulelor elementare, conceptul de probabilitate este în mare parte stins. Ca unul dintre fondatorii electrodinamicii cuantice, omul de știință american Richard Feynman a spus: „Oricât de greu încercăm să inventăm o teorie rezonabilă care să explice modul în care un foton „decide” dacă trece prin sticlă sau revine, este imposibil de prezis cum un fotonul dat se va mișca. Iată o condiție care duce la rezultate diferite: fotoni identici zboară în aceeași direcție spre aceeași bucată de sticlă. Nu putem prezice dacă un anumit foton va lovi A sau B. Tot ce putem prezice este că din 100 de fotoni emiși, o medie de 4 vor sări de pe suprafață. Înseamnă asta că fizica, o știință de mare precizie, a fost redusă la calcularea probabilității unui eveniment și nu a prezice exact ce se va întâmpla? Da. Așa cum este”. Apropo, problema menționată despre fotoni rămâne încă o problemă nerezolvată, cu excepția științei oficiale. Dar pentru oamenii de știință ALLATRA SCIENCE, aceasta a fost de mult rezolvată.

Literatură: Probleme filozofice ale fizicii particulelor elementare (treizeci de ani mai târziu). Reprezentant. Ed. Yu.B. Molchanov. M., 1994; Feynman R. QED este o teorie ciudată a luminii și materiei. M., 1988.

Dar ce reprezintă de fapt fotonii și electronii, în ce constau exact aceste structuri? Datorită ce componentă este fotonul stabil și participă la interacțiunile de forță? De ce nu are această așa-numită „particulă elementară fără masă” în fizica modernă incarcare electrica? De ce este fotonul una dintre cele mai mici și mai comune particule elementare din univers? Acum, știința oficială nu poate răspunde la aceste întrebări, deoarece fotonul, în ciuda bogatului material experimental acumulat, rămâne o particulă elementară misterioasă pentru el. Dar această situație este ușor de rezolvat. Cunoscând elementele de bază ale FIZICA ALLATRA PRIMORDIALĂ, chiar și un școlar poate găsi răspunsuri la aceste întrebări.

ÎN REALITATE, FOTONUL, dacă este considerat o adevărată particulă elementară, constă din particule Po fantomă. Un foton poate exista în două stări: PHOTON-3 (γ3) și PHOTON-4 (γ4). Majoritatea fotonilor constau din 3 particule Po fantomă (foton-3). Cu toate acestea, fiecare dintre acești fotoni în anumite condiții poate fi convertit într-un foton format din 4 particule Po fantomă (foton-4), iar fotonul-4 poate fi convertit în foton-3. În funcție de starea sa, un foton poate îndeplini fie funcțiile unei particule de putere (foton-3), fie ale unei particule „informaționale” (foton-4), adică, în ultimul caz, acționează ca purtător de informații despre elementul elementar. particula cu care interactioneaza. Este de remarcat faptul că pentru un foton care se mișcă de-a lungul rețelei ezoosmice, rotația spirală a particulelor sale fantomă Po este mai accelerată decât cea a particulelor fantomă Po ale multor alte particule elementare. Datorită unor astfel de „vârtejuri” accelerate ale structurii fotonului, viteza sa de mișcare este mai mare în comparație cu viteza de mișcare a multor alte particule elementare.

Fotonul-3 și fotonul-4 se mișcă, de regulă, în același flux de energie și există întotdeauna mult mai mulți fotoni-3 în el decât fotoni-4. De exemplu, un flux de fotoni provine de la soare, unde majoritatea sunt fotoni de forță (fotoni-3) responsabili de energie, interacțiuni de forță, dar printre aceștia se numără și fotoni de informație (fotoni-4) care poartă informații despre soare. . Fluxurile de fotoni-3 nu transportă căldură, o creează atunci când particulele cu care se ciocnesc sunt distruse. Cu cât fluxul de fotoni-3 direcționați în unghi drept față de obiectul material este mai mare, cu atât se generează mai multă căldură. Datorită fotonilor de informații (fotoni-4), o persoană, de exemplu, vede lumina de la soare și soarele însuși cu ochii, iar datorită fotonilor de putere (fotoni-3), simte căldura de la soare asupra sa, si asa mai departe. Adică, datorită fotonilor-3, este furnizat un flux de energie (precum și diferite interacțiuni de forță în lumea materială), iar datorită fotonilor-4, informațiile sunt furnizate în acest flux de energie (adică, participarea la procese care permit , de exemplu, o persoană care să vadă lumea din jurul său).

FOTO-3 cuprinde trei particule Po fantomă, sau mai degrabă, din două particule Po fantomă interconectate de o particulă Po fantomă Allat. Includerea în compoziția particulei Po fantomă Allat face ca fotonul să fie unic, stabil și, de asemenea, un participant activ. interacțiuni de forță. Apropo, a Particula Po fantomă Llat nu va fi niciodată în locul primei particule Po fantomă cap din nicio particulă elementară care o are în compoziția sa. Acesta va fi întotdeauna situat în interiorul particulei elementare dintre particulele fantomă Po, ca bază de forță a acestei particule.

Fotonul-3 se poate transforma în foton-4, iar fotonul-4 se poate transforma în starea de foton-3. Cum are loc acest proces? Un foton (adică atât fotonul-3, cât și fotonul-4) are o structură unică care îl deosebește de orice altă particulă elementară. În special, are o primă particulă Po fantomă neobișnuită (capul). Dacă apar condiții adecvate în celula ezoosmică, în care intră simultan din diferite părți doi capete particulele fantomă de Po (dintre care una aparține unui foton, iar a doua unei alte particule elementare) și are loc cea mai apropiată apropiere, apoi are loc următorul proces.

Particula fantomă de cap Po a unui foton datorită vitezei sale mai mari în raport cu viteza de mișcare a particulei fantomă de cap Po a unei alte particule elementare se rotește rapid. Astfel, permite particulei de forță a fotonului care îl urmărește (particula Po fantomă Allat) să capteze particulele de Po fantomă de cap din contraparticulă elementară, care este purtătoarea tuturor informațiilor despre această particulă elementară.

Fotonul-3, captând particula Po fantomă cap a unei alte particule elementare, atașează această particulă informațională la structura sa. Ca rezultat, fotonul-3 este transformat în foton-4, format din patru particule de Po fantomă. În acest caz, particula elementară din care a fost îndepărtată particula Po fantomă de cap este supusă distrugerii, în urma căreia se eliberează energie. În general, un astfel de proces de captare a informațiilor de către un foton are loc numai dacă particula Po fantomă de cap a particulei elementare trece prin această celulă ezoosmică, și nu alte particule Po fantomă care fac parte din particulele elementare.

Când fotonul-3 elimină particula Po fantomă de cap dintr-o particulă elementară, se transformă dintr-un „capturator” într-un „transportator”, adică un purtător de informații (foton-4). Revenind la exemplul asociativ cu un tren și vagoane, acesta este similar cu modul în care un tren de trei vagoane, care se deplasează cu viteză maximă, apucă o locomotivă dintr-un tren care se apropie. Astfel, devine un tren cu două locomotive, un vagon diplomatic și unul simplu, până când apar condițiile în care se poate elibera de locomotiva surprinsă în componența sa. Vagoanele rămase ale trenului care se apropie, după ce au pierdut locomotiva, sunt desființate în depozit (în membrana ezoosmică).

FOTON-4 constă din patru particule de Po fantomă: o particulă Po fantomă unică de cap, o particulă Po fantomă „extraterestră” (particulă de informații), o particulă Po fantomă Allatiană și o particulă Po fantomă finală. Este intrarea acestei particule Po fantomă „extraterestre” în compoziția fotonului-4 care o face pline de informații, adică purtând informații despre o anumită particulă elementară („străină”). Dar, în general, atunci când există mulți astfel de fotoni, aceștia poartă informații despre un anumit subiect, obiect, fenomen și așa mai departe. Fotonul există în această stare (foton-4) până când apar din nou condiții similare în celula ezoosmică, sub care este eliberat din particula Po fantomă „străină” a capului, adică are loc procesul de „resetare a informațiilor”. În același timp, particula de cap fantomă Po a fotonului se rotește din nou și, datorită participării particulei de putere Allat Po la acest proces, particula de cap fantomă Po „extraterestră” este împinsă în limitele propriului câmp septon. a fantomei capului de contraparticulă Po a particulei elementare. Fotonul însuși, transformându-se în starea de foton-3, părăsește celula ezoosmică. Particula Po fantomă de cap eliberată aruncă informații în propriul său câmp de septon al particulei Po reale și al particulei fantomă Po de cap care trece a particulei elementare (îmbogățindu-și astfel potențialul intern cu informații noi) și merge irevocabil la membrana ezoosmică.

După resetarea (transferarea) particulei Po fantomă „străină” informațională, fotonul-4 se transformă din nou în foton-3, adică intră în starea sa inițială, în care se caracterizează prin multivariabilitatea diferitelor acțiuni. De exemplu, fotonul-3 poate participa la alte interacțiuni, poate face parte din particulele elementare și așa mai departe. Poate să dispară (datorită membranei ezoosmice) într-un loc și să apară în alt loc, adică poate face o tranziție aproape instantanee în grila ezoosmică pe distanțe mari („cosmice”). Desigur, asta este doar informatii scurte despre un foton, destinat cunoștinței primare. În plus, există o mulțime de informații unice obținute în cursul cercetărilor cu privire la tiparele și paradoxurile comportamentului fotonului în diverse medii, caracteristicile sale proprietățile valurilor, interacțiuni cu alte particule elementare, algoritmi de control al comportamentului fotonilor și multe altele.

În general, rezumând informațiile de mai sus, putem spune că principala funcție a fotonului-3 este interacțiunile energetice, care sunt asociate în principal cu procesul de distrugere a materiei și eliberarea de energie, iar fotonul-4 este interacțiunile informaționale asociate cu transfer de informatii. Cunoscând funcțiile și caracteristicile unui foton, principiile interacțiunii sale cu alte particule elementare și în special câmpul septon, se pot înțelege multe procese ale macro și microlumii în care este direct implicat. Datorită acestor cunoștințe, pot fi găsite răspunsuri la multe întrebări. De exemplu, cum percepe o persoană informațiile vizuale? Ce este de fapt o umbră, căldură sau frig, dacă luăm în considerare aceste procese la nivelul grilei ezoosmice? Din ce cauze fundamentale are loc distrugerea unei substanțe care se află sub expunere prelungită la lumina soarelui? Care sunt caracteristicile conexiunii unui foton cu un câmp gravitațional și electromagnetic? Și mult mai mult. Cunoștințele despre foton ajută la înțelegerea cauzelor fundamentale ale unei acțiuni efectuate datorită participării unui foton la acesta și la efectuarea unor calcule mai precise ale interacțiunilor fotonului fără utilizarea echipamentelor și tehnologiei costisitoare.

Într-unul dintre tratatele filozofice cheie ale taoismului numit „Le-tzu” (secolele I-III d.Hr.), există astfel de rânduri despre absolut, despre modul în care lumea care a primit numele provine dintr-un întreg absolut nenumit.

„La început a fost Marea Simplitate,
apoi a aparut Mare Început,
apoi a venit Marea Fundație,
după care a apărut Marea Substanţialitate.
În Marea Simplitate nu exista încă un suflu.
Marele Început a fost începutul respirației,
Marele Pământ a fost începutul tuturor formelor,
Marea Materialitate este începutul tuturor lucrurilor.

Respirația, forma și lucrul nu s-au separat încă, ceea ce se numește Haos. Privește atent și nu vei vedea, ascultă și nu vei auzi. Numele acestuia este „Simplicity”. Simplul nu are nici formă, nici limite. După ce a suferit o transformare, a devenit Unul, iar din Unu - Șapte, Șapte s-au transformat în Nouă. Pe aceasta, transformările sunt epuizate și din nou vin la Unul. Iar acesta este începutul transformărilor tuturor formelor. Curatul și lumina au urcat și au format Cerul, murdaria și grea au coborât și au format Pământul, iar suflarea care a pătruns în ambele a dat naștere omului. Așa au cuprins Cerul și Pământul sămânța tuturor viețuitoarelor și toate lucrurile au prins viață.”

În vechiul tratat chinezesc „Tao Te Ching” (capitolul 42) există astfel de versuri: „Tao a produs unul. Unu doi. Doi trei. Și trei sunt toate lucruri. Fiecare lucru poartă yin și conține yang.

Literatură: Chuang Tzu. Le Tzu. Traducere Malyavin VV Moștenire filosofică. În 3 volume. - M: Gândirea, 1995; Tao Te Ching: Cartea Căii Vieții / comp. iar traducerea de V. V. Malyavin. – M.: Feoriya, 2010; Werner, Edward T.C. Mituri și legende ale Chinei. George G. Harrap & Co. Ltd. Londra Bombay Sydney, 1922.

Fără a lua în considerare cuantizarea, proprietățile cuantice au fost atribuite obiectelor care emit și absorb lumină (vezi, de exemplu, teoria lui Bohr). În ciuda faptului că modelele semiclasice au influențat dezvoltarea mecanicii cuantice (ceea ce este dovedit în special de faptul că unele dintre prevederile și chiar consecințele lor sunt incluse în mod explicit în teoriile cuantice moderne), experimentele au confirmat corectitudinea lui Einstein cu privire la natura cuantică a luminii (vezi , de exemplu, , efect fotoelectric). Trebuie remarcat faptul că cuantizarea energiei radiațiilor electromagnetice nu face excepție. LA teoria cuantica mulți mărimi fizice sunt discrete (cuantizate). Exemple de astfel de mărimi sunt: ​​momentul unghiular, spinul și energia sistemelor legate.

Introducerea conceptului de foton a contribuit la crearea de noi teorii și dispozitive fizice și, de asemenea, a stimulat dezvoltarea bazei experimentale și teoretice ale mecanicii cuantice. De exemplu, au fost inventate maserul, laserul, fenomenul de condensare Bose-Einstein, s-au formulat teoria câmpului cuantic și interpretarea probabilistică a mecanicii cuantice. În modelul standard modern al fizicii particulelor, existența fotonilor este o consecință a faptului că legile fizice sunt invariante sub simetria gabarită locală în orice moment al spațiu-timpului (a se vedea secțiunea de mai jos pentru mai multe detalii). Aceeași simetrie determină proprietățile intrinseci ale fotonului, cum ar fi sarcina electrică, masa și spinul.

Istoria numelui și a denumirii

Fotonul a fost numit inițial „cuantică de lumină” de Albert Einstein. das Lichtquant). Nume modern, care fotonul derivă din cuvântul grecesc φῶς, „phōs” („lumină”), a fost introdus de chimistul Gilbert N. Lewis, care și-a publicat teoria, în care fotonii erau considerați „necreați și indestructibili”. Deși teoria lui Lewis nu și-a găsit confirmarea, fiind în conflict cu datele experimentale, noua denumire a cuantelor de câmp electromagnetic a început să fie folosită de mulți fizicieni.

Istoria dezvoltării conceptului de foton

În majoritatea teoriilor dezvoltate înainte de secolul al XVIII-lea, lumina era privită ca un flux de particule. Una dintre primele astfel de teorii a fost prezentată în Cartea Opticii de Ibn al-Haytham în 1021. În ea, omul de știință și-a imaginat un fascicul de lumină sub forma unui flux de particule minuscule, cărora „le lipsesc toate calitățile vizibile, cu excepția energiei”. Întrucât astfel de modele nu puteau explica fenomene precum refracția, difracția și birefringența, a fost propusă o teorie ondulatorie a luminii, fondatorii căreia au fost Rene Descartes (1637), Robert Hooke (1665) și Christian Huygens (1678). Cu toate acestea, modelele bazate pe ideea unei structuri discrete a luminii au rămas dominante, în mare parte datorită influenței autorității lui Isaac Newton, care a susținut aceste teorii. LA începutul XIX secole, Thomas Young și Augustin Fresnel au demonstrat în mod clar în experimentele lor fenomenele de interferență și difracție a luminii, după care, în jurul anului 1850, modelele unde au devenit general acceptate. În 1865, James Maxwell a propus ca parte a teoriei sale că lumina este o undă electromagnetică. În 1888, această ipoteză a fost confirmată experimental de Heinrich Hertz, care a descoperit undele radio.

Studiile asupra proprietăților radiațiilor corpului negru, care au avut loc timp de aproape patruzeci de ani (1860-1900), s-au încheiat cu avansarea ipotezei lui Max Planck că energia oricărui sistem, atunci când emite sau absoarbe radiații de frecvență electromagnetică, se poate modifica doar cu o cantitate. adică un multiplu al energiei cuantice (adică discret), unde este constanta lui Planck. Albert Einstein a arătat că un astfel de concept de cuantizare a energiei trebuie acceptat pentru a explica echilibrul termic observat între materie și radiatie electromagnetica. Pe aceeași bază, el a descris teoretic efectul fotoelectric, pentru această lucrare Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921. Dimpotrivă, teoria lui Maxwell admite că radiația electromagnetică poate avea orice energie (adică nu este cuantificată).

Mulți fizicieni au presupus inițial că cuantizarea energiei este rezultatul unei proprietăți necunoscute a materiei care absoarbe și emite unde electromagnetice. În 1905, Einstein a sugerat că cuantizarea energiei este o proprietate a radiației electromagnetice în sine. Recunoscând validitatea teoriei lui Maxwell, Einstein a subliniat că multe dintre rezultatele anormale ale experimentelor de atunci ar putea fi explicate dacă energia unei unde luminoase ar fi localizată în cuante asemănătoare particule care s-au deplasat independent unele de altele, chiar dacă unda s-a propagat continuu în spaţiu. În și 1916, Einstein a arătat, pe baza validității legii radiației unui corp complet negru, că un cuantum de energie trebuie să aibă și el impuls. Elanul unui foton a fost descoperit experimental de Arthur Compton, pentru această lucrare el a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1927. Cu toate acestea, problema acordului teoria valurilor Maxwell cu fundamentarea experimentală a naturii discrete a luminii a rămas deschisă. O serie de autori au susținut că emisia și absorbția undelor electromagnetice are loc în porțiuni, cuante, dar procesele de propagare a undelor sunt continue. Natura cuantică a fenomenelor de radiație și absorbție dovedește prezența nivelurilor individuale de energie în microsisteme, inclusiv câmpul electromagnetic, și imposibilitatea unui microsistem de a avea o cantitate arbitrară de energie. Reprezentările corpusculare sunt în acord cu modelele observate experimental de emisie și absorbție a undelor electromagnetice, în special, cu modelele Radiație termalași efect fotoelectric. Cu toate acestea, în opinia lor, datele experimentale indică faptul că proprietățile cuantice ale unei unde electromagnetice nu se manifestă în timpul propagării, împrăștierii și difracției undelor electromagnetice, dacă nu sunt însoțite de pierderi de energie. În procesele de propagare, o undă electromagnetică nu este localizată într-un anumit punct al spațiului, ea se comportă ca un întreg și este descrisă de ecuațiile lui Maxwell. Soluția a fost găsită în cadrul electrodinamicii cuantice (vezi secțiunea dualitate undă-particulă de mai jos) și al succesorului său, modelul standard.

În conformitate cu electrodinamica cuantică, câmpul electromagnetic în volumul unui cub cu o lungime a muchiei d pot fi reprezentate ca unde plane staționare, unde sferice sau unde plane care călătoresc. În acest caz, volumul este considerat a fi umplut cu fotoni cu distribuția energiei, unde n este un număr întreg. Interacțiunea fotonilor cu materia duce la o modificare a numărului de fotoni n pornit (radiatie sau absorbtie).

Încercările de a păstra teoria lui Maxwell

După cum s-a menționat în Conferința Nobel a lui Robert Milliken, predicțiile lui Einstein din 1905 au fost testate experimental în mai multe moduri independente în primele două decenii ale secolului al XX-lea. Cu toate acestea, înainte de faimosul experiment Compton, ideea naturii cuantice a radiației electromagnetice nu era în general acceptată în rândul fizicienilor (a se vedea, de exemplu, prelegerile Nobel ale lui Wilhelm Wien, Max Planck și Robert Milliken), care a fost asociată cu succesul teoriei ondulatorii a luminii a lui Maxwell. Unii fizicieni credeau că cuantificarea energiei în procesele de emisie și absorbție a luminii este o consecință a anumitor proprietăți ale substanței care emite sau absoarbe lumină. Niels Bohr, Arnold Sommerfeld și alții au dezvoltat modele ale atomului cu niveluri de energie discrete, care explicau prezența spectrelor de emisie și absorbție ale atomilor și, în plus, erau în acord excelent cu spectrul observat al hidrogenului (cu toate acestea, nu a fost posibil să se obțineți spectrele altor atomi din aceste modele) . Doar împrăștierea unui foton de către un electron liber, care nu are (conform ideilor de atunci) o structură internă și, în consecință, niveluri de energie, i-a forțat pe mulți fizicieni să admită natura cuantică Sveta.

Cu toate acestea, chiar și după experimentele lui Compton, Bohr, Hendrik Kramers și John Slater au făcut o ultimă încercare de a salva modelul clasic de undă Maxwellian al luminii, fără a lua în considerare cuantizarea acestuia, publicând așa-numita teorie BCS. Pentru a explica datele experimentale, ei au propus două ipoteze:

1. Energia și impulsul sunt conservate doar statistic (în medie) în interacțiunile dintre materie și radiații.În procesele elementare separate, cum ar fi radiația și absorbția, legile de conservare a energiei și a impulsului nu sunt îndeplinite.
   Această ipoteză a făcut posibilă reconcilierea schimbării treptate a energiei atomului (tranziții între niveluri de energie) cu continuitatea modificării energiei radiației în sine.
2. Mecanismul de radiație este specific.În special, radiația spontană a fost considerată radiație stimulată de un câmp electromagnetic „virtual”.

Cu toate acestea, experimentele lui Compton au arătat că energia și impulsul sunt exact conservate în procesele elementare și că calculele sale privind modificarea frecvenței unui foton incident în împrăștierea Compton sunt precise cu 11 zecimale. După aceea, Bohr și coautorii săi și-au oferit modelul „cea mai nobilă înmormântare posibilă, pe cât posibil”. Cu toate acestea, prăbușirea modelului BCS l-a inspirat pe Werner Heisenberg să creeze mecanica matriceală.

Unul dintre experimentele care confirmă cuantificarea absorbției luminii a fost experimentul lui Walter Bothe, condus de acesta în 1925. În acest experiment, o folie metalică subțire a fost iradiată cu raze X de intensitate scăzută. În acest caz, folia în sine a devenit o sursă de radiație secundară slabă. Pe baza conceptelor clasice de undă, această radiație ar trebui să fie distribuită uniform în spațiu în toate direcțiile. În acest caz, două contoare situate în stânga și în dreapta foliei ar fi trebuit să o înregistreze simultan. Cu toate acestea, rezultatul experimentului s-a dovedit a fi exact opus: radiația a fost înregistrată fie de contorul din dreapta, fie de la stânga și niciodată de ambele în același timp. În consecință, absorbția are loc în cuante separate. Experiența a confirmat astfel poziția inițială teoria fotonilor radiație și a devenit astfel o altă dovadă experimentală a proprietăților cuantice ale radiației electromagnetice.

În vid, energia și impulsul unui foton depind doar de frecvența acestuia (sau, echivalent, de lungimea de undă):

și, prin urmare, mărimea impulsului este:

unde - constanta lui Planck, egală cu; - vector de undă și - valoarea acestuia (numărul de undă); - frecventa unghiulara . Vectorul de undă indică direcția mișcării fotonului. Spinul unui foton nu depinde de frecvență.

Formulele clasice pentru energia și impulsul radiației electromagnetice pot fi derivate din conceptele de fotoni. De exemplu, presiunea radiației se realizează datorită transferului de impuls al fotonilor către corp în timpul absorbției lor. Într-adevăr, presiunea este o forță care acționează pe unitatea de suprafață, iar forța este egală cu modificarea impulsului împărțit la timpul acestei schimbări.

Dualitatea undă-particulă și principiul incertitudinii

Experimentul gândirii lui Heisenberg pentru a localiza un electron (umbrit în albastru) folosind un microscop cu raze gamma de înaltă rezoluție. Razele gamma incidente (indicate cu verde) sunt împrăștiate de un electron și intră în unghiul de deschidere al microscopului θ. Razele gamma împrăștiate sunt prezentate cu roșu în figură. Optica clasică arată că poziția unui electron poate fi determinată doar până la o anumită valoare Δ X, care depinde de unghiul θ și de lungimea de undă λ a razelor incidente.

Este important de menționat că cuantizarea luminii și dependența energiei și impulsului de frecvență sunt necesare pentru a îndeplini principiul incertitudinii aplicat unei particule masive încărcate. Acest lucru poate fi ilustrat prin faimosul experiment de gândire cu un microscop ideal care determină coordonatele unui electron prin iradierea lui cu lumină și înregistrarea luminii împrăștiate (microscopul gamma lui Heisenberg). Poziția unui electron poate fi determinată cu o precizie egală cu rezoluția unui microscop. Pe baza conceptelor de optică clasică:

unde este unghiul de deschidere al microscopului. Astfel, incertitudinea coordonatei poate fi redusă în mod arbitrar prin reducerea lungimii de undă a razelor incidente. Cu toate acestea, după împrăștiere, electronul capătă un impuls suplimentar, a cărui incertitudine este egală cu . Dacă radiația incidentă nu ar fi cuantificată, această incertitudine ar putea fi redusă în mod arbitrar prin reducerea intensității radiației. Lungimea de undă și intensitatea luminii incidente pot fi modificate independent una de cealaltă. Ca urmare, în absența cuantizării luminii, ar fi posibil să se determine simultan cu mare precizie poziția unui electron în spațiu și impulsul acestuia, ceea ce contrazice principiul incertitudinii.

În mod similar, principiul incertitudinii pentru fotoni interzice măsurarea exactă simultană a numărului de fotoni (a se vedea starea Fock și a doua secțiune de cuantizare de mai jos) într-o undă electromagnetică și faza acelei unde (a se vedea starea coerentă și starea coerentă stoarsă):

Model de gaz fotonic Bose-Einstein

Statistica cuantică, aplicată sistemelor de particule cu spin întreg, a fost propusă în 1924 de către fizicianul indian S. Bose pentru cuante de lumină și dezvoltată de A. Einstein pentru toți bosonii. Radiația electromagnetică din interiorul unui anumit volum poate fi considerată un gaz ideal, constând dintr-un set de fotoni care practic nu interacționează între ei. Echilibrul termodinamic al acestui gaz foton se realizează prin interacțiunea cu pereții cavității. Apare atunci când pereții emit tot atâtea fotoni pe unitatea de timp câti absorb. În acest caz, în interiorul volumului se stabilește o anumită distribuție energetică a particulelor. Bose a obținut legea lui Planck a radiației corpului negru fără a folosi deloc electrodinamica, ci pur și simplu modificând calculul stărilor cuantice ale unui sistem de fotoni în spațiul fazelor. În special, s-a constatat că numărul de fotoni dintr-o cavitate absolut neagră, a cărei energie cade pe intervalul de la până la este egal cu:

unde este volumul cavității, este constanta Dirac, este temperatura gazului fotonului de echilibru (coincide cu temperatura pereților).

Într-o stare de echilibru, radiația electromagnetică într-o cavitate absolut neagră (așa-numita radiație de echilibru termic, sau radiație de corp negru) este descrisă de aceiași parametri termodinamici ca un gaz obișnuit: volum, temperatură, energie, entropie etc. Radiația exercită presiune asupra pereților, deoarece fotonii au impuls. Relația dintre această presiune cu temperatura este reflectată în ecuația de stare pentru un gaz fotonic:

unde este constanta Stefan-Boltzmann.

Einstein a arătat că această modificare este echivalentă cu recunoașterea faptului că fotonii sunt strict identici între ei, iar între ei este implicată prezența unei „interacțiuni nelocale misterioase”, acum înțeleasă ca o cerință ca stările mecanice cuantice să fie simetrice în raport cu permutarea particulelor. Această muncă a condus în cele din urmă la conceptul de stări coerente și a contribuit la inventarea laserului. În aceleași articole, Einstein a extins ideile lui Bose la particulele elementare cu spin întreg (bosoni) și a prezis fenomenul de tranziție în masă a particulelor unui gaz bosonic degenerat la o stare cu o energie minimă atunci când temperatura scade la o anumită valoare critică ( condensare Bose-Einstein). Acest efect a fost observat experimental în 1995, iar în 2001 autorii experimentului au primit Premiul Nobel. În sensul modern, bosonii, inclusiv fotonii, se supun statisticilor Bose-Einstein, iar fermionii, de exemplu, electronii, se supun statisticilor Fermi-Dirac.

Emisia spontană și stimulată

Einstein a început prin a postula relații simple între ratele de absorbție și reacțiile de emisie. În modelul său, rata de absorbție a fotonilor de frecvență și tranziția atomilor de la un nivel de energie la un nivel superior cu energie este proporțională cu numărul de atomi cu energie și cu densitatea spectrală a radiației pentru fotonii din jur de aceeași frecvență:

Aici este constanta vitezei de reacție de absorbție (coeficientul de absorbție). Pentru a implementa procesul invers, există două posibilități: emisia spontană de fotoni și întoarcerea unui electron la un nivel inferior prin interacțiunea cu un foton aleatoriu. Conform abordării descrise mai sus, viteza de reacție corespunzătoare, care caracterizează emisia de fotoni de frecvență de către sistem și tranziția atomilor de la nivelul de energie superior la cel inferior cu energie, este egală cu:

Aici este coeficientul de emisie spontană, este coeficientul responsabil pentru emisia stimulată sub acțiunea fotonilor aleatori. La echilibru termodinamic, numărul de atomi în stare energetică și, în medie, ar trebui să fie constant în timp, prin urmare, valorile și ar trebui să fie egale. În plus, prin analogie cu concluziile statisticii Boltzmann, relația este valabilă:

unde este multiplicitatea degenerării nivelurilor de energie și , este energia acestor niveluri, este constanta Boltzmann, este temperatura sistemului. Din cele de mai sus rezultă că:

Coeficienții și se numesc coeficienți Einstein.

Einstein nu a reușit să explice pe deplin toate aceste ecuații, dar a crezut că în viitor va fi posibil să se calculeze coeficienții și, atunci când „mecanica și electrodinamica sunt modificate astfel încât să corespundă ipotezei cuantice”. Și chiar s-a întâmplat. În 1926, Paul Dirac a obținut constanta folosind o abordare semiclasică și a găsit cu succes toate aceste constante bazate pe principiile fundamentale ale teoriei cuantice. Această lucrare a devenit fundamentul electrodinamicii cuantice, adică teoria cuantizării câmpului electromagnetic. Abordarea lui Dirac, numită a doua metodă de cuantizare, a devenit una dintre principalele metode ale teoriei câmpurilor cuantice. Trebuie remarcat încă o dată că în mecanica cuantică timpurie, numai particulele de materie, și nu câmpul electromagnetic, erau tratate ca mecanică cuantică.

Einstein era îngrijorat de faptul că teoria lui părea incompletă, deoarece nu descrie direcția emisie spontană foton. Natura probabilistă a mișcării particulelor de lumină a fost luată în considerare pentru prima dată de Isaac Newton în explicația sa despre fenomenul birefringenței (efectul divizării unui fascicul de lumină în două componente în medii anizotrope) și, în general, fenomenul de scindare a luminii. fascicule prin limita a două medii în fascicule reflectate și refractate. Newton a sugerat că „variabilele ascunse” care caracterizează particulele de lumină determină care dintre cele două fascicule divizate va merge o anumită particulă. În mod similar, Einstein, începând să se distanțeze de mecanica cuantică, a sperat la apariția unei teorii mai generale a microlumii, în care să nu existe loc pentru întâmplare. În special, introducerea de către Max Born a interpretării probabilistice a funcției de undă a fost stimulată de lucrările ulterioare a lui Einstein, care căuta o teorie mai generală.

A doua cuantizare

Din punct de vedere matematic, a doua metodă de cuantizare este că un sistem cuantic constând din un numar mare particule identice, este descris folosind funcții de undă, în care numerele de ocupație joacă rolul de variabile independente. A doua cuantificare se realizează prin introducerea de operatori care măresc și scad numărul de particule într-o stare dată (numerele de ocupare) cu unul. Acești operatori sunt uneori numiți operatori de naștere și anihilare. Matematic, proprietățile operatorilor de umplere și anihilare sunt date de relații de permutare, a căror formă este determinată de spinul particulei. Cu o astfel de descriere, funcția de undă în sine devine un operator.

În notația fizică modernă stare cuantică câmpul electromagnetic este scris ca stare Fock, produsul tensor al stărilor fiecărui mod electromagnetic:

unde reprezintă starea cu numărul de fotoni în mod.Crearea unui nou foton (de exemplu, emis într-o tranziție atomică) în mod se scrie astfel:

Fotonul ca boson gauge

Articolul principal: Teoria gauge

Ecuațiile lui Maxwell care descriu câmpul electromagnetic pot fi obținute din reprezentările teoriei gauge ca o consecință a îndeplinirii cerinței invarianței gauge a electronului în raport cu transformarea coordonatelor spațiu-timp. Pentru un câmp electromagnetic, această simetrie indicator reflectă capacitatea numerelor complexe de a schimba partea imaginară fără a afecta partea reală, așa cum este cazul energiei sau al Lagrangianului.

În modelul standard, fotonul este unul dintre cei patru bosoni gauge implicați în interacțiunea electroslabă. Restul de trei (W + , W − și Z 0) se numesc bosoni vectoriali și sunt responsabili doar pentru interacțiunea slabă. Spre deosebire de foton, bosonii vectori au o masă, ei trebuie să fie masivi datorită faptului că interacțiunea slabă se manifestă doar la distanțe foarte mici,<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.

Contribuția fotonilor la masa sistemului

Fotoni în materie

Lumina se deplasează într-un mediu transparent cu o viteză mai mică decât viteza luminii în vid. De exemplu, fotonii care experimentează multe coliziuni în drumul lor dinspre nucleul solar radiant poate dura aproximativ un milion de ani pentru a ajunge la suprafața Soarelui. Cu toate acestea, mișcându-se în spațiul cosmic, aceiași fotoni ajung pe Pământ în doar 8,3 minute. Valoarea care caracterizează scăderea vitezei luminii se numește indicele de refracție al unei substanțe.

Din punct de vedere clasic, încetinirea poate fi explicată astfel. Sub influența intensității câmpului electric al undei luminoase, electronii de valență ai atomilor mediului încep să efectueze oscilații armonice forțate. Electronii oscilanți încep, cu o anumită întârziere, să radieze unde secundare de aceeași frecvență și intensitate ca și lumina incidentă, care interferează cu unda originală, încetinind-o. În modelul corpuscular, decelerația poate fi descrisă prin amestecarea fotonilor cu perturbații cuantice din materie (cvasiparticule, cum ar fi fononi și excitoni) pentru a forma un polariton. Un astfel de polariton are o masă efectivă diferită de zero, motiv pentru care nu se mai poate deplasa cu o viteză. Efectul interacțiunii fotonilor cu alte cvasiparticule poate fi observat direct în efectul Raman și în împrăștierea Mandelstam-Brillouin.

În mod similar, fotonii pot fi priviți ca particule care se mișcă mereu cu viteza luminii, chiar și în materie, dar care experimentează o schimbare de fază (întârziere sau avans) din cauza interacțiunilor cu atomii care își modifică lungimea de undă și impulsul, dar nu și viteza. Pachetele de unde formate din acești fotoni se mișcă cu o viteză mai mică de . Din acest punct de vedere, fotonii sunt, parcă, „godă”, motiv pentru care sunt împrăștiați de atomi, iar faza lor se schimbă. În timp ce, din punctul de vedere descris în paragraful anterior, fotonii sunt „îmbrăcați” prin interacțiunea cu materia și se mișcă fără împrăștiere și schimbare de fază, dar cu o viteză mai mică.

În funcție de frecvență, lumina se propagă prin materie cu viteze diferite. Acest fenomen în optică se numește dispersie. Când sunt create anumite condiții, este posibil să se realizeze ca viteza de propagare a luminii într-o substanță să devină extrem de mică (așa-numita „lumină lentă”). Esența metodei este că, folosind efectul de transparență indus electromagnetic, este posibil să se obțină un mediu cu o adâncime foarte îngustă în spectrul său de absorbție. În acest caz, se observă o modificare extrem de abruptă a indicelui de refracție în regiunea acestei căderi. Adică, în această zonă, se combină o dispersie uriașă a mediului (cu o dependență spectrală normală - o creștere a indicelui de refracție spre o creștere a frecvenței) și transparența acestuia pentru radiații. Acest lucru asigură o reducere semnificativă a vitezei de grup a luminii (până la 0,091 mm / în anumite condiții).

Fotonii pot fi absorbiți și de nuclee, atomi sau molecule, determinând astfel o tranziție între stările lor energetice. Un exemplu clasic indică absorbția fotonilor de către pigmentul vizual al tijelor retiniene rodopsina, care conține retina, un derivat al retinolului (vitamina A), responsabil pentru vederea umană, așa cum a fost stabilit în 1958 de biochimistul american, laureatul Nobel George. Wald și colaboratorii săi. Absorbția unui foton de către o moleculă de rodopsina determină reacția de trans-izomerizare a retinei, care duce la descompunerea rodopsinei. Astfel, în combinație cu alte procese fiziologice, energia unui foton este convertită în energia unui impuls nervos. Absorbția unui foton poate provoca chiar ruperea legăturilor chimice, ca în fotodisociarea clorului; astfel de procese fac obiectul de studiu în fotochimie.

Aplicație tehnică

Există multe dispozitive tehnice care folosesc cumva fotoni în munca lor. Mai jos sunt doar câteva dintre ele în scop ilustrativ.

Un dispozitiv tehnic important care folosește fotoni este laserul. Lucrarea sa se bazează pe fenomenul de emisie stimulată discutat mai sus. Laserele sunt folosite în multe domenii ale tehnologiei. Procesele tehnologice (sudarea, tăierea și topirea metalelor) sunt realizate în principal prin lasere cu gaz cu o putere medie mare. În metalurgie, ele fac posibilă obținerea de metale superpure. Laserele ultrastabile sunt baza standardelor de frecvență optică, seismografelor laser, gravimetrelor și a altor instrumente fizice de precizie. Laserele reglabile în frecvență (de exemplu, laserul colorant) au revoluționat spectroscopia, crescând semnificativ rezoluția și sensibilitatea metodei până la observarea spectrelor atomilor individuali. Laserele sunt folosite și în medicină ca bisturii fără sânge, în tratamentul bolilor de ochi și piele. Gama cu laser a contribuit la rafinarea sistemelor de navigație spațială, a extins cunoștințele despre atmosfere și structura suprafeței planetelor, a făcut posibilă măsurarea vitezei de rotație a lui Venus și Mercur, a rafinat semnificativ caracteristicile mișcării Lunii și planeta Venus în comparație cu datele astronomice. Cu ajutorul laserelor, ei încearcă să rezolve problema fuziunii termonucleare controlate. Laserele sunt utilizate pe scară largă în viața de zi cu zi (imprimante laser, DVD-uri, pointere laser etc.).

Emisia și absorbția fotonilor de către materie este utilizată în analiza spectrală. Atomii fiecărui element chimic au frecvențe de rezonanță strict definite, drept urmare la aceste frecvențe emit sau absorb lumină. Acest lucru duce la faptul că spectrele de emisie și absorbție ale atomilor și moleculelor formate din ei sunt individuale, precum amprentele umane.

În funcție de metodele utilizate, se disting mai multe tipuri de analiză spectrală:

1. Emisiv, folosind spectrele de emisie ale atomilor, mai rar - molecule. Acest tip de analiză implică arderea unei probe într-o flacără a unui arzător cu gaz, arc electric DC sau AC sau scânteie electrică de înaltă tensiune. Un caz special de analiză a emisiilor este analiza luminiscentă.
2. absorbţie, care folosește spectrul de absorbție, în principal al moleculelor, dar poate fi aplicat și atomilor. Aici, proba este complet transformată într-o stare gazoasă și trece prin ea lumina de la o sursă de radiație continuă. La ieșire, pe fondul unui spectru continuu, se observă un spectru de absorbție al substanței evaporate.
3. raze X, care folosește spectrele de raze X ale atomilor, precum și difracția razelor X pe măsură ce acestea trec prin obiectul studiat pentru a studia structura acestuia. Principalul avantaj al metodei este că spectrele de raze X conțin puține linii, ceea ce facilitează foarte mult studiul compoziției probei. Printre deficiențe se numără sensibilitatea scăzută și complexitatea echipamentului.

Într-o analiză spectrală calitativă se determină numai compoziția probei fără a indica raportul cantitativ al componentelor. Această din urmă problemă este rezolvată în analiza spectrală cantitativă, pe baza faptului că intensitatea liniilor din spectru depinde de conținutul substanței corespunzătoare din proba studiată. Astfel, prin spectrul unei substanțe se poate determina compoziția sa chimică. Analiza spectrală este o metodă sensibilă și este utilizată pe scară largă în chimia analitică, astrofizică, metalurgie, inginerie mecanică, explorare geologică și alte ramuri ale științei.

Ultimele cercetări

Acum se crede că proprietățile fotonilor sunt bine înțelese din punct de vedere teoretic. Modelul Standard tratează fotonii ca bozoni spin-1 cu masă de repaus zero și sarcină electrică zero (aceasta din urmă rezultă, în special, din simetria unitară locală U(1) și din experimente privind interacțiunea electromagnetică). Cu toate acestea, fizicienii continuă să caute inconsecvențe între experiment și prevederile Modelului Standard. Precizia experimentelor aflate în desfășurare pentru a determina masa și sarcina fotonilor este în continuă creștere. Descoperirea chiar și a celei mai mici cantități de sarcină sau masă în fotoni ar da o lovitură gravă modelului standard. Toate experimentele efectuate până acum arată că fotonii nu au nici sarcină, nici masă în repaus.Cea mai mare precizie cu care a fost posibilă măsurarea încărcării unui foton este 5 10 −52 C(sau 3 10 −33 ); pentru masa - 1,1 10 −52 kg (6 10 −17 eV / 2 sau 1 10 −22 ).

Multe cercetări moderne sunt dedicate aplicării fotonilor în domeniul opticii cuantice. Fotonii par a fi particule potrivite pentru a crea calculatoare cuantice super-eficiente pe baza lor. Studiul întanglementării cuantice și teleportarea cuantică aferentă este, de asemenea, un domeniu prioritar al cercetării moderne. În plus, există un studiu al proceselor și sistemelor optice neliniare, în special, fenomenul de absorbție cu doi fotoni, modulația în fază și oscilatorii parametrici optici. Cu toate acestea, astfel de fenomene și sisteme, în cea mai mare parte, nu necesită utilizarea fotonilor în ele. Ele pot fi adesea modelate luând în considerare atomii ca oscilatori neliniari. Procesul optic neliniar al împrăștierii parametrice spontane este adesea folosit pentru a crea stări de fotoni încurcate. În cele din urmă, fotonii sunt utilizați în comunicațiile optice, inclusiv

Foton. Structura unui foton. Principiul mișcării.

Partea 1. Date inițiale.

Partea 1. Date inițiale.

1.1. Un foton este o particulă elementară, un cuantum de radiație electromagnetică.

1.2. Un foton nu poate fi împărțit în mai multe părți și nu se descompune spontan în vid.

1.3. Un foton este o particulă cu adevărat neutră din punct de vedere electric. Viteza de mișcare (mișcare) a unui foton în vid este egală cu „c”.

1.4. Lumina este un flux de particule localizate - fotoni.

1.5 . Fotonii sunt emiși în multe procese naturale, de exemplu: atunci când particulele încărcate se mișcă cu accelerație (radiație bremsstrahlung, sincrotron, ciclotron) sau când un electron trece dintr-o stare excitată într-o stare cu o energie mai mică. Acest lucru se întâmplă ca urmare a transformării fundamentale principale din Natură - transformarea energiei cinetice a unei particule încărcate în electromagnetic (și invers).

1.6. Fotonul este caracterizat de dualismul undelor corpusculare:

Pe de o parte, fotonii demonstrează proprietățile unei unde în fenomenele de difracție și interferență la scări comparabile cu lungimea de undă a unui foton;

Pe de altă parte, un foton se comportă ca o particulă care este emisă sau absorbită în întregime de obiecte ale căror dimensiuni sunt mult mai mici decât lungimea sa de undă (de exemplu, nucleele atomice) sau sunt considerate punctiforme (electron).

1.7. Având în vedere faptul că single fotonii demonstrează proprietățile unei unde, se poate susține destul de sigur că un foton este o „miniundă” (o „piesă” separată, compactă a unei undă). În acest caz, trebuie luate în considerare următoarele proprietăți ale undelor:

a) uh undele electromagnetice (și fotonii) sunt unde transversale în care vectorii câmpurilor electrice (E) și magnetice (H) oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undelor.Undele electromagnetice (foton) poate fi transferat de la sursă la receptor, inclusiv prin vid. Nu au nevoie de un mediu pentru distribuirea lor.

b) jumătate din energia undelor electromagnetice (și fotonilor) este magnetică.

c) pentru a caracteriza intensitatea procesului undelor se folosesc trei parametri: amplitudinea procesului undei, densitatea energieiprocesul undelor și densitatea fluxului de energie.

1.8. În plus, luând în considerare schema structurii fotonului și principiul mișcării acestuia, s-au luat în considerare următoarele date:

a) emisia unui foton trece practic pe o perioadă de timp de ordinul a 10 -7 sec - 10 -15 sec. În această perioadă, câmpul electromagnetic al fotonului crește de la zero la maxim și scade din nou la zero. Vezi fig.1.

b) graficul modificării câmpului fotonic nu poate fi în niciun fel o bucată dintr-o sinusoidă trunchiată, deoarece în locurile de tăiere ar apărea forțe infinite;

în) întrucât frecvența unei unde electromagnetice este o cantitate care este observată în experimente, aceeași frecvență (și lungime de undă) poate fi atribuită și unui foton individual. Prin urmare, parametrii fotonici, precum undele, sunt descriși prin formula E = h* f , unde h este constanta lui Planck, care raportează mărimea energiei fotonului la frecvența acestuia ( f).

Orez. 1. Un foton este o particulă materială și este o „piesă” de undă compactă (având un început și un sfârșit), indivizibilă, în care câmpul electromagnetic crește de la zero la un anumit maxim și din nou scade la zero. Câmpurile magnetice nu sunt prezentate în mod convențional.

Partea 2. Principii de bază ale structurii fotonilor.

2.1. În aproape toate articolele despre undele electromagnetice (fotoni), figurile descriu și arată grafic o undă formată din două câmpuri - electric și magnetic, de exemplu, citatul: „Un câmp electromagnetic este o combinație de câmpuri magnetice electrice...”. Cu toate acestea, existența unei unde electromagnetice (și foton) „cu două componente” este imposibilă dintr-un motiv simplu: un câmp electric cu o singură componentă și un câmp magnetic monocomponent într-o undă electromagnetică (foton) nu există și nu poate exista. Explicaţie:

a) există modele-formule-legi teoretice care sunt folosite pentru a calcula sau determina parametrii în condiții ideale (de exemplu, un model teoretic al unui gaz ideal). Acest lucru este perfect acceptabil. Totuși, pentru calculele în condiții reale, în aceste formule sunt introduși factori de corecție, care reflectă parametrii reali ai mediului.

b) există și un model teoretic numit „câmp electric”. Acest lucru este acceptabil pentru rezolvarea problemelor teoretice. Cu toate acestea, în realitate există doar două câmpuri electrice: câmpul electric-plus (#1) și câmpul electric-minus (#2). Substanțe numite „fără încărcare? neutru din punct de vedere electric? câmpul electric nr. 3 nu există în realitate și nu poate exista. Prin urmare, atunci când modelăm condiții reale într-un model teoretic numit „câmp electric”, este întotdeauna necesar să se țină cont de doi „factori de corecție” - câmpul electric real-plus și câmpul electric real-minus.

c) există un model teoretic numit „câmp magnetic”. Acest lucru este destul de acceptabil pentru unele sarcini. Cu toate acestea, în realitate, un câmp magnetic are întotdeauna doi poli magnetici: polul #1 (N) și polul #2 (S). Substanțe numite „nepolare? câmpul magnetic nr. 3 nu există și nu poate exista în realitate.De aceea, atunci când modelăm condiții reale într-un model teoretic numit „câmp magnetic”, este întotdeauna necesar să se țină cont de doi „factori de corecție” - pol-N și pol- S.

2.2. Astfel, ținând cont de cele de mai sus, putem face o concluzie destul de lipsită de ambiguitate: un foton este o particulă materială compactă (având un început și un sfârșit), în care materia este o combinație de două electrice (plus sau minus) și două magnetice. (N-S) câmpuri care se pot propaga din sursele lor fără atenuare (în vid) pe distanțe arbitrar mari. Vezi fig.2.

Fig.2. Un foton este o combinație de două câmpuri electrice (plus și minus) și două câmpuri magnetice (N și S). În acest caz, electroneutritatea generală a fotonului este pe deplin observată. În această lucrare, se presupune că câmpul electric minus este unit cu câmpul magnetic-N, iar câmpul electric plus este unit cu câmpul magnetic-S.

Partea 3. Cuantum de energie și cuantum de masă.

3.1. Pe de o parte, un foton este o particulă compactă, indivizibilă, în care câmpurile electromagnetice cresc de la zero la un anumit maxim și din nou scad la zero. Adică fotonul are o dimensiune liniară foarte reală (început și sfârșit).

3.2. Cu toate acestea, pe de altă parte, parametrii fotonici, precum undele, sunt descriși prin formula E = h* f , unde h - constanta lui Planck (eV * sec), cuantumul elementar de acțiune (constanta mondială fundamentală), care raportează valoarea energiei fotonului de frecvența acesteia ( f).

3.3. Acest lucru ne permite să presupunem că toți fotonii constau dintr-un număr bine definit (n) de quante de energie elementară (eV) „independentă” neutre din punct de vedere electric, cu absolut aceeași lungime de undă ( L ). În acest caz, energia oricărui foton este: E = e 1 *n, unde (de ex 1 ) este energia unei cuante elementare, (n) este numărul lor într-un foton. Vezi fig.3.

Fig.3.

a) foton „normal” (câmpul electromagnetic crește de la zero la un anumit maxim și scade din nou la zero);

b) același foton din quanta „medie”. Se poate presupune că orice foton constă dintr-un număr bine definit de cuante de energie elementară „medie” absolut identice;

c) cuantica elementară de energie fotonică „medie”. Cuantumul elementar de energie (dimensiune - eV) este absolut același pentru toate undele electromagnetice din toate intervalele și este similar cu cuantumul elementar al acțiunii lui Planck, (dimensiunea - eV * sec). În acest caz: E (eV) = h* f = e 1 *n.

3.4. Chestia unui foton. Fotonii sunt emiși ca urmare a transformării fundamentale principale din Natură - transformarea energiei cinetice a unei particule încărcate în energie electromagnetică și invers - transformarea energiei electromagnetice a fotonilor în energia cinetică a unei particule încărcate. Cu toate acestea, energia cinetică este nematerială, iar energia electromagnetică a unui foton are toate proprietățile materiei. Astfel: ca urmare a principalei transformări fundamentale din Natură, energia cinetică nematerială a unei particule încărcate este convertită în energia câmpurilor electrice și magnetice ale unui foton, care are proprietăți destul de reale ale materiei: impuls, viteză, masă , și alte caracteristici. Deoarece fotonul este material, toate părțile sale constitutive sunt și ele materiale. Adică: o cuantă elementară de energie este automat o cuantă elementară de masă.

3.5. Orice foton constă dintr-un număr bine definit de cuante de energie elementară „independentă” neutre din punct de vedere electric. Și revizuirea schemei structura cuantumului elementar arată că:

a) un cuantum elementar nu poate fi împărțit în două părți egale, deoarece aceasta va constitui automat o încălcare a legii conservării sarcinii;

b) de asemenea, este imposibil să „decupăm” o parte mai mică dintr-o cuantă elementară, deoarece aceasta va duce automat la o modificare a valorii constantei Planck (constante fundamentală) pentru această cuantă.

3.6. Prin urmare:

Primul. Transformarea energiei electromagnetice a fotonilor în energia cinetică a unei particule încărcate nu poate fi o funcție continuă - energia electromagnetică poate fi convertită în energia cinetică a particulelor (și invers) numai la valori de energie care sunt multiplii unui element elementar. cuantumul de energie.

Al doilea. Deoarece învelișurile cuarcilor, protonii, neutronii și alte particule suntmateria compactă neutră din punct de vedere electric de fotoni, atunci contează și masele acestor învelișuri , multipli ai cuantumului masei elementare.

3.7. Notă: cu toate acestea, împărțirea cuantelor elementare în două părți absolut egale (pozitive și negative) este destul de posibilă (și are loc) în timpul formării perechilor electron-pozitron. În acest caz, masa electronului și a pozitronuluimaterie , multipli ai jumătate din cuantumul elementar al masei (vezi „ Electron. Formarea și structura electronului. Monopolul magnetic al electronului).

Partea 4. Principiile de bază ale mișcării fotonilor.

4.1. Mișcarea unei particule de foton material poate fi efectuată numai în două moduri:

Opțiunea-1: fotonul se mișcă prin inerție;

Opțiunea-2: fotonul este o particulă autopropulsată.

4.2. Din motive necunoscute, mișcarea inerțială a undelor electromagnetice (și fotonilor) este fie implicită, fie menționată și prezentată grafic în aproape toate articolele despre unde electromagnetice, de exemplu: Wikipedia. radiatie electromagnetica. Engleză. Vezi fig.4.

Fig.4. Un exemplu de mișcare inerțială a unui foton (Wikipedia. Radiația electromagnetică). Fotonul trece pe lângă observator de la stânga la dreapta cu o viteză V = „cu”. În acest caz, toate petalele sinusoidei nu își schimbă parametrii, adică: în cadrul de referință al fotonului, ele sunt absolut nemișcate.

4.3. Cu toate acestea, mișcarea inerțială a unui foton este imposibilă, de exemplu, din următorul motiv: atunci când un foton trece printr-un obstacol (sticlă), viteza acestuia scade, dar după ce trece printr-un obstacol (unul sau mai multe), fotonul din nou „ instantaneu” și își restabilește viteza la „c” = const. Cu mișcarea inerțială, o astfel de recuperare independentă a vitezei este imposibilă.

4.4. O creștere „instantanee” a vitezei de către un foton (până la „c” = const) după trecerea printr-un obstacol este posibilă numai dacă fotonul în sine este o particulă autopropulsată. În acest caz, mecanismul de auto-mișcare a fotonului poate fi doar inversarea polarității câmpurilor electrice (plus și minus) și magnetice (N și S) disponibile cu deplasarea simultană a fotonului cu jumătate de perioadă, adică cu o frecvență dublată (2 * f). Vezi fig.5.

Fig.5. Schema mișcării fotonilor datorită inversării polarității câmpurilor. „Fragment” - secvența inversării polarității câmpului-plus.

4.5. Explicația mecanismului de mișcare a fotonului s-a bazat pe următoarele date:

a) câmpul electromagnetic al unui foton este o combinație de câmpuri electrice (plus sau minus) și magnetice (N și S) variabile;

b) câmpurile electrice și magnetice ale unui foton nu pot dispărea - se pot transforma doar unul în celălalt. Generarea unui câmp magnetic de către un câmp electric alternativ este un fenomen natural fundamental;

c) un câmp magnetic apare numai în prezența unui câmp electric care variază în timp și invers (fiecare modificare a câmpului electric excită un câmp magnetic și, la rândul său, o modificare a câmpului magnetic excită un câmp electric). Prin urmare, câmpurile magnetice ale unui foton pot apărea numai dacă fotonul are semne variabile și câmpuri electrice variabile în timp (în cadrul de referință al fotonului).

4.6. Când a explicat mecanismul inversării polarității fotonului, au fost luate în considerare următoarele opțiuni:

a) prezența spațiului liber înaintea fotonului. Un foton este o „piesă” compactă, indivizibilă a unei unde sub formă de sinusoid, în care câmpurile electromagnetice cresc de la zero la un anumit maxim și din nou scad la zero. Adică: „corpul” unui foton are o lungime geometrică foarte reală (început și sfârșit). Mișcarea unui foton are loc datorită mișcării unui foton la o distanță de un semiciclu (1/2L) pentru fiecare act de inversare a polarității. Și această mișcare poate apărea întotdeauna doar într-o singură direcție (înainte), unde există spațiu liber în fața fotonului;

b) „Lupta contrariilor”. Câmpul electromagnetic al unui foton este o combinație de câmpuri electrice (plus sau minus) și magnetice (N și S) alternative. În această lucrare, se presupune că câmpul electric minus este unit cu câmpul magnetic-N, iar câmpul electric plus este unit cu câmpul magnetic-S. Dar, în acest caz, există o dorință constantă (și legitimă) a câmpurilor magnetice N și S de a se andoca unul cu celălalt, adică de a crea un „magnet bipolar” cu drepturi depline. Pentru a face acest lucru, unul dintre câmpurile magnetice trebuie să se deplaseze cu o jumătate de perioadă. Cu toate acestea, câmpurile magnetice și electrice sunt „strâns” interconectate, iar orice încercare a câmpului magnetic de a se „elibera” de câmpul electric „instantaneu” duce la o reacție de contracarare - determină o inversare a polarității (transfer) a tuturor câmpurilor și schimbarea lor automată pentru o jumătate de perioadă.

4.7. Deoarece nu există alte opțiuni pentru explicarea mecanismului de auto-mișcare a unui foton, mișcarea unui foton datorită inversării câmpurilor, aparent, este singura soluție la problemă. Căci doar modul de inversare a polarității permite menținerea modului de auto-mișcare a fotonului și, în același timp, asigurarea respectării legii fundamentale a Naturii - generarea unui câmp magnetic în prezența unui câmp electric care se schimbă în semn și se schimbă în timp ( si invers). Variantele propuse ale mecanismului de inversare a polarității (cauze și secvență) necesită studii suplimentare, care nu pot fi prezentate în această lucrare. Cu toate acestea, explicațiile de mai sus sunt o cale acceptabilă de ieșire din situația actuală în rezolvarea problemei constantei vitezei luminii, deoarece permit unul sau altul grad de certitudine pentru a explica mecanismul auto-mișcării fotonului.

4.8. viteza fotonului. Viteza(e) undelor electromagnetice (fotoni) în vid, frecvența lor ( f) și lungimea de undă (L ) sunt legate rigid prin formula: с = f*L . Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că mișcarea unui foton are loc datorită inversării simultane a câmpurilor sale electrice și magnetice, în timpul căreia fotonul este deplasat cu o distanță de o jumătate de ciclu (L / 2) pentru fiecare act de inversarea polarității, adică cu o frecvență dublată. Având în vedere acest lucru, formula vitezei va arăta ca c \u003d 2 f*L /2, care este absolut identică cu formula principală: c = f*L.

5. Calea:

5.1. Un foton este o particulă de material localizată (compact), în care materia este o combinație de două câmpuri electrice (plus și minus) și două câmpuri magnetice (N și S), ale căror valori cresc de la zero la un anumit maxim și din nou. cad la zero. În acest caz, electroneutritatea generală a fotonului este pe deplin observată.

5.2. Ca urmare a principalei transformări fundamentale din Natură, energia cinetică nematerială a unei particule încărcate este transformată în energia materială a câmpurilor electrice și magnetice ale unui foton. Un foton este material și constă dintr-un număr bine definit de cuante de energie elementară „medie” absolut identice, care sunt automat cuante de masă elementară.

5.3. Un foton este o particulă autopropulsată capabilă să se deplaseze de la sursa sa la distanțe arbitrar mari (în vid). Nu necesită un mediu pentru mișcarea sa. Mișcarea unui foton are loc datorită inversării de polaritate a câmpurilor electrice (plus sau minus) și magnetice (N și S) alternative, timp în care fotonul este deplasat cu o distanță de o jumătate de ciclu pentru fiecare eveniment de inversare a polarității.

5.4. În această lucrare, se presupune că în fiecare cuantă elementară, câmpul electric minus se unește cu câmpul magnetic-N, iar câmpul electric plus se unește cu câmpul magnetic-S. Alte opțiuni pentru alăturarea domeniilor necesită studii suplimentare și nu au fost luate în considerare în această lucrare.