Foton

Qadim zamonlardan beri yorug'likning aks etishi va sinishi hodisalari haqida ma'lum bo'lgan. Bu hodisalarning mohiyati, ularning asl mohiyati hali ham rasmiy fanga tushunarli emas, hamma narsa ehtimollik nazariyasiga asoslanadi.

Zamonaviyda ilmiy adabiyotlar foton kvant deb ataladi elektromagnit maydon, ehtimol, zamonaviy nazariyalar nuqtai nazaridan tashuvchi sifatida taqdim etilgan elementar zarracha elektromagnit o'zaro ta'sir. Garchi, aslida, zamonaviy "foton" nomi faqat kuzatilgan jarayonni anglatadi - elektromagnit nurlanish to'lqinlarini tashkil etuvchi yorug'likning eng kichik "qismlari", "nurlari", shu jumladan. ko'rinadigan yorug'lik, radio to'lqinlar, rentgen nurlari, lazer impulslari va boshqalar.

Foton tushunchasi (qadimgi yunoncha "phōtōs" (fotosuratlar) - "yorug'lik" so'zidan) 1926 yilda amerikalik kimyogar Gilbert Nyuton Lyuis tomonidan kiritilgan. Aytgancha, u fotonlarni "yaratilmagan va buzilmas" deb hisoblagan (bu kimyogar Jon Daltonning atom tushunchasini kiritish tarixiga o'xshaydi, u o'z mulohazalarini bo'linmas zarralar haqidagi qadimgi bilimlarga asoslaydi).

Bugungi kunda foton fizikada yunoncha gamma - g harfining belgisi bilan belgilanadi. Bu belgi 1900 yilda yuqori energiyali fotonlardan tashkil topgan gamma nurlanishining kashf etilishi bilan bog'liq. Bu frantsuz fizigi Pol Villar tomonidan kuchli magnit maydonda radiy nurlanishini o'rganish jarayonida yaratilgan. Keyinchalik uran nurlanishining ikki turini alfa va beta nurlari deb atagan ingliz fizigi Ernest Rezerford Villar tomonidan kashf etilgan yangi turdagi nurlanishning yuqori kirib borish qobiliyatiga ega ekanligini aniqladi. U bu nurlanishga "gamma nurlari" nomini berdi.

"1926 yilda Gilbert Lyuis ilmiy maqolasida shunday yozadi: "Men bu erda biz atomning yangi turi, noma'lum ob'ekt, yaratilmagan va buzilmaydigan, radiatsiya energiyasini tashuvchisi bo'lib xizmat qiladigan va so'rilganidan keyin, so'rilgan atomning asosiy komponenti bo'lib qoladi, u yana yangi energiya miqdori bilan ajralib chiqmaguncha ... Men yorug'lik emas, balki barcha radiatsiya jarayonlarida muhim rol o'ynaydigan bu faraziy yangi atom uchun taklif qilish erkinligini olaman. , nomi "foton" ”. Qizig'i shundaki, Gilbert Lyuis fotonni bu energiyaning o'zi emas, balki "radiatsiya / nurlanish energiyasining tashuvchisi" deb hisoblagan (hozir fiziklar fotonni elektromagnit kuchning tashuvchisi deb bilishadi). O'shandan beri "foton" so'zi tezda qo'llanila boshlandi.

Adabiyotlar: Lyuis, Gilbert N. Fotonlarni saqlash Tabiat 118, 1926, 874-875-betlar; Lyuis, Gilbert N. Yorug'likning tabiati. Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari, 1926 yil 12, 22-29-betlar; Roychoudhuri, Chandra, Kracklauer, A.F., Creath, Keti. Nurning tabiati: Foton nima? CRC Press, 2008.

Fotonning kashf etilishi nazariy va eksperimental fizikaning rivojlanishini sezilarli darajada rag'batlantirdi, shu jumladan fizik kimyo(fotokimyo), kvant mexanikasi va hokazo. Odamlar bu kabi ko'rinishlarni taxminan tushunishni va foydalanishni boshladilar jismoniy hodisalar, Qanday elektr toki, fotonlar oqimi. Ammo bu hodisalarning eng kichik tuzilishi haqidagi bilimlar taxminiydir, chunki hozirgacha rasmiy fan aynan bir xil elektron yoki fotonning o'zi nimadan iboratligini tushuntirib bera olmaydi (garchi mikrokosmosning asl tabiati haqidagi bu bilim qadimgi davrlarda bo'lgan bo'lsa ham).

Fotonning tabiati olimlar uchun sir bo'lib qolmoqda. Ammo kuzatish jarayonida qayd etilgan tadqiqot natijalariga tayangan holda ham, tajribalar tufayli jamiyat hayotida keng qo'llaniladigan kashfiyotlar qilindi. Har xil texnik qurilmalar ixtiro qilingan, ularning ishlash printsipi fotonlardan foydalanish bilan bog'liq. Masalan, kompyuter tomografiyasi, kvant generatori (maser), lazer va boshqalar. Lazer sanoatda, tibbiyotda, kundalik hayotda yuqori aniqlikdagi jismoniy asboblar - seysmograflar, gravimetrlar, mikroxirurgiyada qo'llaniladigan lazer skalpellarini yaratishdan tortib, payvandlash, metall kesish, maishiy texnika uchun texnologik jarayonlarni yaratishgacha bo'lgan eng keng amaliy qo'llanilishini topdi. lazer printerlari va boshqalar. Fotonlar spektral analizda ham qo'llaniladi (atom spektroskopiyasi atomlarning elektromagnit nurlanish spektrlarini o'rganish bilan shug'ullanadi). Fotonlarni o'rganish orqali olimlar har bir kimyoviy element atomlari aniq belgilangan rezonans chastotalariga ega ekanligini aniqladilar. Aynan shu chastotalarda ular yorug'likni (fotonlarni) chiqaradi va yutadi. Ya'ni, har bir insonning o'ziga xos barmoq izlari bo'lganidek, har birida ham shunday kimyoviy element o'ziga xos emissiya va yutilish spektriga ega. Va bularning barchasi tabiatdagi turli kuch jarayonlarida va o'zaro ta'sirlarda faol ishtirok etadigan foton kabi noyob tuzilmani o'rganishning boshlanishi.

Elementar zarrachalarning barcha nazariy fizikasi ehtimollar nazariyasiga asoslanadi. Biroq, ehtimollik nazariyasining ob'ektiv asoslarini tahlil qilish faqat kvant mexanikasini yaratish jarayonida faol muhokama qilindi. Endi ehtimollik tabiati fiziklar tomonidan unchalik yorqin muhokama qilinmaydi. Bir tomondan, u mikroprotsesslar asoslarining bir qismi ekanligini hamma tan oladi, ikkinchi tomondan, tadqiqotning o'zida bu haqda juda kam gapiriladi, go'yo u ikkinchi darajali rol o'ynaydi. Bu, ayniqsa, elementar zarrachalar fizikasi uchun to'g'ri keladi, bu erda elementar zarrachalarning ichki holatlari va xossalari bilan ehtimollik tushunchasi asosan yopiladi. Kvant elektrodinamikasining asoschilaridan biri sifatida amerikalik olim Richard Feynman shunday degan edi: “Fotonning shishadan oʻtish yoki orqaga qaytishini “qaror qabul qilishini” tushuntiruvchi oqilona nazariyani ixtiro qilishga qanchalik urinmasak ham, uning qanday boʻlishini oldindan aytib boʻlmaydi. berilgan foton harakat qiladi. Bu erda turli xil natijalarga olib keladigan shart: bir xil fotonlar bir xil shisha bo'lagi tomon bir xil yo'nalishda uchadi. Biz berilgan fotonning A yoki B ga tegishini oldindan aytib bera olmaymiz. Biz bashorat qilishimiz mumkin bo'lgan narsa shuki, chiqarilgan 100 ta fotondan o'rtacha 4 tasi sirtdan sakraydi. Bu juda aniq fan bo'lgan fizika voqea ehtimolini hisoblashga qisqartirilganligini va nima sodir bo'lishini aniq bashorat qilmasligini anglatadimi? Ha. Qanday bo'lsa ". Aytgancha, fotonlar haqidagi zikr qilingan muammo haligacha hal qilinmagan muammo bo'lib qolmoqda, rasmiy fandan tashqari. Ammo ALLATRA SCIENCE olimlari uchun bu uzoq vaqtdan beri hal qilingan.

Adabiyot: Elementar zarralar fizikasining falsafiy muammolari (o‘ttiz yildan keyin). Rep. Ed. Yu.B. Molchanov. M., 1994; Feynman R. QED - yorug'lik va materiyaning g'alati nazariyasi. M., 1988 yil.

Lekin fotonlar va elektronlar aslida nimani ifodalaydi, bu tuzilmalar aynan nimadan iborat? Foton qaysi komponent tufayli barqaror va kuchlarning o'zaro ta'sirida ishtirok etadi? Nima uchun zamonaviy fizikada bu "massasiz elementar zarracha" yo'q? elektr zaryadi? Nima uchun foton koinotdagi eng kichik va eng keng tarqalgan elementar zarralardan biri hisoblanadi? Endi rasmiy fan bu savollarga javob bera olmaydi, chunki foton, boy eksperimental materiallar to'planganiga qaramay, u uchun sirli elementar zarracha bo'lib qolmoqda. Ammo bu vaziyatni tuzatish oson. PRIMORDIAL ALLATRA FIZIKASI asoslarini bilgan holda, hatto maktab o'quvchisi ham bu savollarga javob topishi mumkin.

HAQIQATDA FOTON, agar haqiqiy elementar zarra sifatida qaralsa, xayoliy Po zarrachalaridan iborat. Foton ikki holatda bo'lishi mumkin: PHOTON-3 (g3) va PHOTON-4 (g4). Aksariyat fotonlar 3 ta fantom Po zarralaridan (foton-3) iborat. Biroq, bu fotonlarning har biri ma'lum sharoitlarda 4 ta fantom Po zarralaridan (foton-4) iborat fotonga, foton-4 esa foton-3 ga aylantirilishi mumkin. O'z holatiga ko'ra, foton kuch zarrasi (foton-3) yoki "axborot" zarrasi (foton-4) funktsiyalarini bajarishi mumkin, ya'ni ikkinchi holatda elementar haqida ma'lumot tashuvchisi vazifasini bajaradi. o'zaro ta'sir qiladigan zarracha. Shunisi e'tiborga loyiqki, ezoosmik to'r bo'ylab harakatlanadigan foton uchun uning xayoliy Po zarralarining spiral aylanishi boshqa ko'plab elementar zarralarning xayoliy Po zarrachalariga qaraganda tezlashadi. Foton strukturasining bunday tezlashtirilgan "burilishlari" tufayli uning harakat tezligi boshqa ko'plab elementar zarrachalarning harakat tezligiga nisbatan kattaroqdir.

Foton-3 va foton-4, qoida tariqasida, bir xil energiya oqimida harakat qiladi va unda har doim foton-4ga qaraganda ko'proq foton-3 mavjud. Masalan, fotonlar oqimi quyoshdan keladi, bu erda ularning ko'pchiligi energiya, kuch o'zaro ta'siri uchun mas'ul bo'lgan kuch fotonlari (fotonlar-3), ammo ular orasida quyosh haqida ma'lumot olib yuruvchi axborot fotonlari (fotonlar-4) ham mavjud. . Foton-3 oqimlari issiqlikni o'tkazmaydi, ular to'qnashgan zarralar yo'q qilinganda uni hosil qiladi. Moddiy ob'ektga to'g'ri burchak ostida yo'naltirilgan foton-3 oqimi qanchalik katta bo'lsa, shunchalik ko'p issiqlik hosil bo'ladi. Axborot fotonlari (fotonlar-4) tufayli odam, masalan, quyoshdan keladigan yorug'likni va quyoshning o'zini ko'zlari bilan ko'radi va kuchli fotonlar (fotonlar-3) tufayli quyosh issiqligini o'zida his qiladi, va hokazo. Ya'ni, fotonlar-3 tufayli energiya oqimi ta'minlanadi (shuningdek, moddiy dunyoda turli xil kuchlarning o'zaro ta'siri) va fotonlar-4 tufayli ma'lumot ushbu energiya oqimida (ya'ni, jarayonlarda ishtirok etish) etkazib beriladi. , masalan, atrofdagi dunyoni ko'rish uchun odam).

FOTON-3 dan tashkil topgan uchta fantom Po zarralari, aniqrog'i, bitta Allat fantom Po zarrasi bilan o'zaro bog'langan ikkita fantom Po zarralaridan. Aynan Allat fantom Po zarrasining tarkibiga qo'shilishi fotonni noyob, barqaror va faol ishtirokchiga aylantiradi. kuch o'zaro ta'siri. Aytgancha, a Llat fantom Po zarrasi hech qachon o'z tarkibida bo'lgan elementar zarrachada birinchi bosh fantom Po zarrasi o'rnida bo'lmaydi.. U har doim elementar zarracha ichida, bu zarrachaning kuch asosi sifatida xayoliy Po zarralari orasida joylashgan bo'ladi.

Foton-3 foton-4 ga, foton-4 esa foton-3 holatiga aylanishi mumkin. Bu jarayon qanday sodir bo'ladi? Foton (ham foton-3, ham foton-4 degan ma'noni anglatadi) uni boshqa har qanday elementar zarrachadan ajratib turadigan o'ziga xos tuzilishga ega. Xususan, u noodatiy birinchi (bosh) xayoliy Po zarrasiga ega. Agar ezoosmik hujayrada tegishli sharoitlar yuzaga kelsa, u bir vaqtning o'zida turli tomondan kiradi. ikki bosh fantom Po zarralari (ulardan biri fotonga, ikkinchisi esa boshqa elementar zarrachaga tegishli) va ularning eng yaqin yondashuvi sodir bo'ladi, keyin quyidagi jarayon sodir bo'ladi.

Fotonning bosh xayoliy zarrasi Po boshqa elementar zarrachaning Po bosh fantom zarrasining harakat tezligiga nisbatan katta tezligi tufayli tez aylanadi. Shunday qilib, u fotonning o'zidan ergashayotgan kuch zarrasiga (Allat fantom Po zarrachasi) ushbu elementar zarracha haqidagi barcha ma'lumotlarning tashuvchisi bo'lgan qarama-qarshi elementar zarrachadan o'zining bosh fantom Po zarrasini olishiga imkon beradi.

Foton-3, boshqa elementar zarrachaning bosh xayoliy Po zarrasini tutib, bu axborot zarrasini uning tuzilishiga biriktiradi. Natijada foton-3 to'rtta xayoliy Po zarralaridan iborat foton-4 ga aylanadi. Bunday holda, bosh xayoliy Po zarrasi chiqarilgan elementar zarracha halokatga uchraydi, buning natijasida energiya chiqariladi. Umuman olganda, foton orqali ma'lumot olishning bunday jarayoni elementar zarrachaning bir qismi bo'lgan boshqa fantom Po zarrachalari emas, balki elementar zarrachaning bosh fantom Po zarrasi ushbu ezoosmik hujayradan o'tgan taqdirdagina sodir bo'ladi.

Foton-3 bosh xayoliy Po zarrasini elementar zarrachadan chiqarib yuborganda, u "tutuvchi" dan "tashuvchi" ga, ya'ni axborot tashuvchisiga aylanadi (foton-4). Poezd va vagonlar bilan bog'liq assotsiativ misolga qaytadigan bo'lsak, bu uch vagonli poezd to'liq tezlikda harakatlanib kelayotgan poezddan lokomotivni ushlab olishiga o'xshaydi. Shunday qilib, u ikkita lokomotivli, bitta diplomatik vagon va bitta oddiy vagonli poezdga aylanadi, toki u o'z tarkibida tutilgan lokomotivdan ozod bo'lishi mumkin bo'lgan shartlar paydo bo'ladi. Lokomotivni yo'qotib, kelayotgan poezdning qolgan vagonlari depoda (ezoosmik membranada) tarqatiladi.

FOTON-4 to'rtta xayoliy Po zarralaridan iborat: noyob bosh fantom Po zarrasi, "begona" bosh fantom Po zarrasi (axborot zarrasi), Allatiya fantom Po zarrasi va yakuniy fantom Po zarrasi. Aynan shu "begona" bosh xayoliy Po zarrasining foton-4 tarkibiga kirishi uni yaratadi. ma'lumotlar bilan to'ldirilgan, ya'ni berilgan ("begona") elementar zarra haqida ma'lumot olib yurish. Ammo umuman olganda, bunday fotonlar ko'p bo'lsa, ular ma'lum bir mavzu, ob'ekt, hodisa va boshqalar haqida ma'lumot olib boradi. Foton shu holatda (foton-4) ezoosmik hujayrada yana shunga o'xshash sharoitlar paydo bo'lgunga qadar mavjud bo'lib, uning ostida u "begona" bosh xayoliy Po zarrachasidan ajralib chiqadi, ya'ni "ma'lumotni qayta tiklash" jarayoni sodir bo'ladi. Shu bilan birga, fotonning bosh fantom Po zarrasi yana aylanadi va bu jarayonda Allat quvvat Po zarrasining ishtiroki tufayli "begona" bosh fantom Po zarrasi o'zining septon maydoni chegarasiga suriladi. elementar zarrachaning hisoblagich boshi fantom Po zarrasining. Fotonning o'zi foton-3 holatiga o'tib, ezoosmik hujayrani tark etadi. Chiqarilgan bosh fantom Po zarrachasi ma'lumotni haqiqiy Po zarrasining o'zining septon maydoniga va elementar zarrachaning o'tuvchi bosh fantom Po zarrachasiga tashlaydi (shunda ularning ichki salohiyatini yangi ma'lumotlar bilan boyitadi) va qaytarib bo'lmaydigan tarzda ezoosmik membranaga o'tadi.

Axborot "xorijiy" bosh xayoliy Po zarrasini qayta o'rnatgandan (o'tkazgandan) so'ng, foton-4 yana foton-3 ga aylanadi, ya'ni u turli xil harakatlarning ko'p o'zgaruvchanligi bilan ajralib turadigan asl holatiga o'tadi. Masalan, foton-3 boshqa o'zaro ta'sirlarda ishtirok etishi, elementar zarrachalarning bir qismi bo'lishi va hokazo. U bir joyda (ezoosmik membrana tufayli) yo'qolib, boshqa joyda paydo bo'lishi mumkin, ya'ni katta ("kosmik") masofalarda ezoosmik to'rda deyarli bir zumda o'tishni amalga oshirishi mumkin. Albatta, bu shunchaki qisqacha ma'lumot asosiy tanishish uchun mo'ljallangan foton haqida. Bundan tashqari, tadqiqot jarayonida foton harakatining naqshlari va paradokslari bo'yicha juda ko'p noyob ma'lumotlar mavjud. turli muhitlar, uning xususiyatlari to'lqin xususiyatlari, boshqa elementar zarralar bilan o'zaro ta'sirlar, foton xatti-harakatlarini boshqarish algoritmlari va boshqalar.

Umuman olganda, yuqoridagi ma'lumotlarni umumlashtirib, shuni aytishimiz mumkinki, foton-3 ning asosiy vazifasi energiya o'zaro ta'siri bo'lib, ular asosan materiyani yo'q qilish va energiyani chiqarish jarayoni bilan bog'liq bo'lib, foton-4 esa energiya bilan bog'liq axborot o'zaro ta'siridir. axborot uzatish. Fotonning funktsiyalari va xususiyatlarini, uning boshqa elementar zarralar va ayniqsa septon maydoni bilan o'zaro ta'sir qilish tamoyillarini bilgan holda, u bevosita ishtirok etadigan makro va mikrodunyoning ko'plab jarayonlarini tushunish mumkin. Ushbu bilim tufayli ko'plab savollarga javob topish mumkin. Masalan, odam vizual ma'lumotni qanday qabul qiladi? Agar bu jarayonlarni ezoosmik panjara darajasida ko'rib chiqsak, aslida soya, issiqlik yoki sovuq nima? Quyosh nuriga uzoq vaqt ta'sir qiladigan moddaning nobud bo'lishi qanday ildiz sabablari tufayli sodir bo'ladi? Fotonning tortishish va elektromagnit maydon bilan bog'lanish xususiyatlari qanday? Va boshqalar. Foton haqidagi bilimlar fotonning undagi ishtiroki tufayli amalga oshirilgan harakatning asl sabablarini tushunishga va qimmatbaho asbob-uskunalar va texnologiyalardan foydalanmasdan fotonlarning o'zaro ta'sirini aniqroq hisoblashga yordam beradi.

Daosizmning asosiy falsafiy risolalaridan birida "Le-tszu" (eramizning I-III asrlari) deb nomlangan mutlaq haqida shunday satrlar borki, bu nomni olgan dunyo qanday nomlanmagan mutlaq butunlikdan kelib chiqadi.

“Avvalida buyuk soddalik bor edi,
keyin paydo bo'ldi Ajoyib boshlanish,
keyin Buyuk poydevor paydo bo'ldi,
shundan keyin Buyuk Substantsiya paydo bo'ldi.
Buyuk soddalikda hali nafas yo'q edi.
Buyuk boshlanish nafas olishning boshlanishi edi,
Buyuk zamin barcha shakllarning boshlanishi edi,
Buyuk Moddiylik hamma narsaning boshlanishidir.

Nafas, shakl va narsa hali ajralmagan, bu Xaos deb ataladi. Ehtiyotkorlik bilan qarang va siz ko'rmaysiz, tinglang va eshitmaysiz. Buning nomi "Oddiylik". Oddiyning na shakli, na chegarasi bor. O'zgarishni boshdan kechirib, u bir bo'ldi va Birdan - Yettidan, Yetti To'qqizga aylandi. Bunda o'zgarishlar tugadi va yana bittaga keladi. Va bu barcha shakllarning o'zgarishining boshlanishi. Toza va yorug'lik yuqoriga ko'tarilib, Osmonni, iflos va og'ir pastga tushib, Yerni hosil qildi va ikkalasiga kirgan nafas insonni tug'di. Shunday qilib, Osmon va Yer barcha tirik mavjudotlarning urug'ini o'z ichiga olgan va hamma narsa jonlangan."

Qadimgi Xitoyning "Tao Te Ching" risolasida (42-bob) shunday satrlar mavjud: "Tao bittasini yaratdi. Bir ikki. Ikki uch. Va uchta narsa hammasi. Har bir narsa yinni o'z ichiga oladi va yangni o'z ichiga oladi.

Adabiyot: Chuang Tzu. Le Tzu. Tarjima Malyavin VV Falsafiy meros. 3 jildda. - M: Fikr, 1995; Tao Te Ching: Hayot yo'li kitobi / komp. va V. V. Malyavin tarjimasi. – M.: Feoriya, 2010; Verner, Edvard T.C. Xitoy afsonalari va afsonalari. Jorj G. Harrap & Co. Ltd. London Bombey Sidney, 1922 yil.

Kvantlashni hisobga olmagan holda, yorug'lik chiqaradigan va yutuvchi jismlarga kvant xossalari berildi (masalan, Bor nazariyasiga qarang). Yarim klassik modellar kvant mexanikasining rivojlanishiga ta'sir ko'rsatganiga qaramay (bu, xususan, ularning ba'zi qoidalari va hatto oqibatlari zamonaviy kvant nazariyalariga aniq kiritilganligi bilan tasdiqlanadi), tajribalar Eynshteynning yorug'likning kvant tabiati haqidagi to'g'riligini tasdiqladi (qarang. , masalan, , fotoelektrik effekt). Shuni ta'kidlash kerakki, elektromagnit nurlanish energiyasini kvantlash ham bundan mustasno emas. DA kvant nazariyasi ko'p jismoniy miqdorlar diskret (kvantlangan). Bunday miqdorlarga misollar: burchak impulsi, spin va bog'langan tizimlarning energiyasi.

Foton kontseptsiyasining kiritilishi yangi nazariyalar va fizik qurilmalarni yaratishga yordam berdi, shuningdek, kvant mexanikasining eksperimental va nazariy asoslarini ishlab chiqishni rag'batlantirdi. Masalan, maser, lazer, Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi hodisasi ixtiro qilindi, kvant maydon nazariyasi va kvant mexanikasining ehtimollik talqini shakllantirildi. Zarrachalar fizikasining zamonaviy standart modelida fotonlarning mavjudligi fazoviy vaqtning istalgan nuqtasida mahalliy o'lchov simmetriyasi ostida fizik qonunlarning o'zgarmasligi natijasidir (batafsil ma'lumot uchun quyidagi bo'limga qarang). Xuddi shu simmetriya fotonning elektr zaryadi, massasi va spini kabi ichki xususiyatlarini aniqlaydi.

Ism va belgilanish tarixi

Foton dastlab Albert Eynshteyn tomonidan "yorug'lik kvanti" deb nomlangan. das Lichtquant). Zamonaviy ism, foton yunoncha phῶs, "phōs" ("yorug'lik") so'zidan kelib chiqqan bo'lib, kimyogar Gilbert N. Lyuis tomonidan kiritilgan bo'lib, u o'z nazariyasini e'lon qilgan, unda fotonlar "yaratilmagan va buzilmas" deb hisoblangan. Lyuisning nazariyasi eksperimental ma'lumotlarga zid bo'lgan holda o'z tasdig'ini topmasa ham, elektromagnit maydon kvantlarining yangi nomi ko'plab fiziklar tomonidan qo'llanila boshlandi.

Foton tushunchasining rivojlanish tarixi

18-asrgacha ishlab chiqilgan koʻpgina nazariyalarda yorugʻlik zarrachalar oqimi sifatida koʻrib chiqilgan. Birinchi shunday nazariyalardan biri 1021 yilda Ibn al-Haysam tomonidan "Optika kitobi"da keltirilgan. Unda olim “energiyadan tashqari barcha sezilarli sifatlarga ega emas” mayda zarrachalar oqimi ko‘rinishidagi yorug‘lik nurini tasavvur qildi. Bunday modellar sinishi, diffraktsiya va ikki sinishi kabi hodisalarni tushuntirib bera olmagani uchun yorug'likning to'lqin nazariyasi taklif qilindi, uning asoschilari Rene Dekart (1637), Robert Guk (1665), Kristian Gyuygens (1678). Biroq, yorug'likning diskret tuzilishi g'oyasiga asoslangan modellar, asosan, ushbu nazariyalarni qo'llab-quvvatlagan Isaak Nyutonning nufuzi ta'siri tufayli dominant bo'lib qoldi. DA XIX boshi asrlar davomida Tomas Young va Augustin Fresnel o'z tajribalarida yorug'likning interferentsiyasi va diffraktsiyasi hodisalarini aniq ko'rsatdilar, shundan so'ng taxminan 1850 yilga kelib to'lqin modellari umumiy qabul qilindi. 1865 yilda Jeyms Maksvell o'z nazariyasining bir qismi sifatida yorug'lik elektromagnit to'lqin ekanligini taklif qildi. 1888 yilda bu gipotezani radioto'lqinlarni kashf etgan Geynrix Gerts eksperimental ravishda tasdiqladi.

Deyarli qirq yil davomida (1860-1900) amalga oshirilgan qora tanli nurlanish xususiyatlarini o'rganish Maks Plankning elektromagnit chastotali nurlanishni chiqarish yoki yutish paytida har qanday tizimning energiyasi faqat bir miqdorga o'zgarishi mumkinligi haqidagi gipotezasini ilgari surish bilan yakunlandi. bu kvant energiyasining karrali (ya'ni diskret), bu erda Plank doimiysi. Albert Eynshteyn shuni ko'rsatdiki, energiya kvantlashining bunday kontseptsiyasi modda va materiya o'rtasidagi kuzatilgan issiqlik muvozanatini tushuntirish uchun qabul qilinishi kerak. elektromagnit nurlanish. Xuddi shu asosda u fotoelektrik effektni nazariy jihatdan tasvirlab berdi, bu ish uchun Eynshteyn 1921 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotini oldi. Aksincha, Maksvell nazariyasi elektromagnit nurlanish har qanday energiyaga ega bo'lishi mumkinligini tan oladi (ya'ni u kvantlanmaydi).

Ko'pgina fiziklar dastlab energiyaning kvantlanishi materiyaning elektromagnit to'lqinlarni yutuvchi va chiqaradigan ba'zi bir noma'lum xususiyatining natijasidir, deb taxmin qilishdi. 1905 yilda Eynshteyn energiyani kvantlash elektromagnit nurlanishning o'ziga xos xususiyati ekanligini aytdi. Maksvell nazariyasining to'g'riligini tan olib, Eynshteyn ta'kidladiki, agar yorug'lik to'lqinining energiyasi bir-biridan mustaqil ravishda harakatlanadigan zarrachaga o'xshash kvantlarga joylangan bo'lsa, hatto to'lqin uzluksiz tarqaladigan bo'lsa ham, tajribalarning o'sha paytdagi anomal natijalarini tushuntirish mumkin. bo'sh joy. 1916-yilda Eynshteyn butunlay qora jismning nurlanish qonunining toʻgʻriligiga asoslanib, energiya kvanti ham impulsga ega boʻlishi kerakligini koʻrsatdi. Fotonning momentumini eksperimental ravishda Artur Kompton kashf etgan, bu ishi uchun u 1927 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. Biroq, kelishuv masalasi to'lqin nazariyasi Maksvell yorug'likning diskret tabiatini eksperimental asoslash bilan ochiq qoldi. Bir qator mualliflarning ta'kidlashicha, elektromagnit to'lqinlarning emissiyasi va yutilishi qismlarda, kvantlarda sodir bo'ladi, ammo to'lqinlarning tarqalish jarayonlari uzluksizdir. Nurlanish va yutilish hodisalarining kvant tabiati mikrosistemalarda, shu jumladan elektromagnit maydonda alohida energiya darajalarining mavjudligini va mikrotizimning ixtiyoriy miqdorda energiyaga ega bo'lishi mumkin emasligini isbotlaydi. Korpuskulyar tasvirlar elektromagnit to'lqinlarning emissiyasi va yutilishining eksperimental kuzatilgan naqshlariga, xususan, naqshlarga yaxshi mos keladi. termal nurlanish va fotoelektr effekti. Biroq, ularning fikriga ko'ra, eksperimental ma'lumotlar elektromagnit to'lqinning kvant xususiyatlari, agar ular energiya yo'qotilishi bilan birga bo'lmasa, elektromagnit to'lqinlarning tarqalishi, tarqalishi va diffraktsiyasi paytida o'zini namoyon qilmasligini ko'rsatadi. Tarqalish jarayonlarida elektromagnit to'lqin fazoning ma'lum bir nuqtasida lokalizatsiya qilinmaydi, u o'zini bir butun sifatida tutadi va Maksvell tenglamalari bilan tavsiflanadi. Yechim kvant elektrodinamiği (quyida to'lqin-zarracha ikkilik bo'limiga qarang) va uning vorisi Standart model doirasida topildi.

Kvant elektrodinamikasiga muvofiq, chekka uzunligi bo'lgan kub hajmidagi elektromagnit maydon d tekis turgan to'lqinlar, sferik to'lqinlar yoki tekis harakatlanuvchi to'lqinlar sifatida ifodalanishi mumkin. Bunday holda, hajm energiya taqsimoti bilan fotonlar bilan to'ldirilgan deb hisoblanadi, bu erda n butun sondir. Fotonlarning materiya bilan o'zaro ta'siri fotonlar sonining o'zgarishiga olib keladi n ustida (radiatsiya yoki yutilish).

Maksvell nazariyasini saqlab qolishga urinishlar

Robert Millikenning Nobel ma'ruzasida aytib o'tilganidek, Eynshteynning 1905 yildagi bashoratlari 20-asrning dastlabki yigirma yilligida bir necha mustaqil usullarda eksperimental ravishda sinovdan o'tkazildi. Biroq, mashhur Kompton tajribasidan oldin, elektromagnit nurlanishning kvant tabiati haqidagi g'oya fiziklar orasida umuman qabul qilinmagan (masalan, Vilgelm Wien, Maks Plank va Robert Millikenning Nobel ma'ruzalariga qarang), bu bilan bog'liq edi. Maksvellning yorug'likning to'lqin nazariyasi muvaffaqiyati. Ba'zi fiziklar yorug'likning emissiyasi va yutilishi jarayonlarida energiyaning kvantlanishi yorug'lik chiqaradigan yoki yutuvchi moddaning ma'lum xususiyatlarining oqibati deb hisoblashgan. Niels Bor, Arnold Sommerfeld va boshqalar diskret energiya darajalariga ega bo'lgan atom modellarini ishlab chiqdilar, bu atomlarning emissiya va yutilish spektrlarining mavjudligini tushuntirdi va bundan tashqari, vodorodning kuzatilgan spektriga juda mos keldi (ammo buni amalga oshirish mumkin emas edi). Ushbu modellardagi boshqa atomlarning spektrlarini oling). Faqat fotonning erkin elektron tomonidan sochilishi (o'sha davr g'oyalariga ko'ra) ichki tuzilishga ega bo'lmagan va shunga mos ravishda energiya darajalari ko'plab fiziklarni tan olishga majbur qilgan. kvant tabiati Sveta.

Biroq, Komptonning tajribalaridan keyin ham Bor, Xendrik Kramers va Jon Slater BCS nazariyasini nashr etish orqali yorug'likning klassik Maksvell to'lqin modelini uning kvantlanishini hisobga olmagan holda saqlab qolish uchun oxirgi marta urinib ko'rdilar. Eksperimental ma'lumotlarni tushuntirish uchun ular ikkita farazni taklif qilishdi:

1. Energiya va impuls faqat statistik (o'rtacha) modda va nurlanish o'rtasidagi o'zaro ta'sirlarda saqlanadi. Alohida elementar jarayonlarda, masalan, nurlanish va yutilishda energiya va impulsning saqlanish qonunlari bajarilmaydi.
   Bu taxmin atom energiyasining bosqichma-bosqich o'zgarishini (energiya darajalari orasidagi o'tishlar) radiatsiya energiyasining o'zgarishining uzluksizligi bilan moslashtirishga imkon berdi.
2. Radiatsiya mexanizmi o'ziga xosdir. Xususan, spontan nurlanish "virtual" elektromagnit maydon tomonidan qo'zg'atilgan nurlanish deb hisoblangan.

Ammo Komptonning tajribalari elementar jarayonlarda energiya va impulsning aynan saqlanishini va uning Kompton sochilishida tushgan foton chastotasining oʻzgarishi haqidagi hisob-kitoblari 11 kasrgacha aniqligini koʻrsatdi. Shundan so'ng, Bor va uning hammualliflari o'zlarining modellarini "iloji boricha iloji boricha olijanob dafn marosimini" berishdi. Shunga qaramay, BCS modelining qulashi Verner Heisenbergni matritsa mexanikasini yaratishga ilhomlantirdi.

Yorug'lik yutilishining kvantlanishini tasdiqlovchi tajribalardan biri 1925 yilda u tomonidan o'tkazilgan Valter Bote tajribasi edi. Bu tajribada yupqa metall plyonka past intensivlikdagi rentgen nurlari bilan nurlantirildi. Bunday holda, folga o'zi zaif ikkilamchi nurlanish manbai bo'ldi. Klassik to'lqin tushunchalariga asoslanib, bu nurlanish kosmosda barcha yo'nalishlarda bir xilda taqsimlanishi kerak. Bunday holda, folga chap va o'ng tomonida joylashgan ikkita hisoblagich uni bir vaqtning o'zida yozib olishi kerak edi. Biroq, tajriba natijasi mutlaqo teskari bo'lib chiqdi: nurlanish o'ng yoki chap hisoblagich tomonidan qayd etilgan va hech qachon ikkalasi tomonidan bir vaqtning o'zida qayd etilmagan. Binobarin, so'rilish alohida kvantlarda sodir bo'ladi. Tajriba shunday qilib, asl pozitsiyani tasdiqladi foton nazariyasi radiatsiya va shu tariqa elektromagnit nurlanishning kvant xossalarining yana bir eksperimental isbotiga aylandi.

Vakuumda fotonning energiyasi va impulsi faqat uning chastotasiga (yoki ekvivalent to'lqin uzunligiga) bog'liq:

va shuning uchun impulsning kattaligi:

bu yerda - Plank doimiysi, teng; - to'lqin vektori va - uning qiymati (to'lqin raqami); - burchak chastotasi. To'lqin vektori fotonning harakat yo'nalishini ko'rsatadi. Fotonning aylanishi chastotaga bog'liq emas.

Elektromagnit nurlanishning energiyasi va momentumining klassik formulalarini fotonlar tushunchasidan olish mumkin. Masalan, radiatsiya bosimi fotonlarning yutilishi paytida ularning impulslarini tanaga o'tkazish tufayli amalga oshiriladi. Haqiqatan ham, bosim birlik sirt maydoniga ta'sir qiluvchi kuchdir va kuch bu o'zgarish vaqtiga bo'lingan momentum o'zgarishiga teng.

To'lqin-zarra ikkiligi va noaniqlik printsipi

Heisenbergning fikrlash tajribasi yuqori aniqlikdagi gamma-nurli mikroskopdan foydalangan holda elektronni (ko'k rang bilan qoplangan) topish. Hodisa gamma nurlari (yashil rangda ko'rsatilgan) elektron tomonidan tarqaladi va mikroskopning diafragma burchagiga th kiradi. Tarqalgan gamma nurlari rasmda qizil rangda ko'rsatilgan. Klassik optika shuni ko'rsatadiki, elektronning holati faqat ma'lum bir D qiymatigacha aniqlanishi mumkin x, bu tushayotgan nurlarning th burchagi va to'lqin uzunligi l ga bog'liq.

Shuni ta'kidlash kerakki, yorug'likning kvantlanishi, energiya va impulsning chastotaga bog'liqligi zaryadlangan massiv zarrachaga nisbatan qo'llaniladigan noaniqlik printsipini bajarish uchun zarurdir. Buni ideal mikroskop bilan o'tkazilgan mashhur fikrlash tajribasi orqali ko'rsatish mumkin, u elektronni yorug'lik bilan nurlantirish va tarqoq nurni qayd etish orqali uning koordinatasini aniqlaydi (Geyzenberg gamma mikroskopi). Elektronning holatini mikroskopning ruxsatiga teng aniqlik bilan aniqlash mumkin. Klassik optika tushunchalariga asoslanib:

mikroskopning teshik burchagi qayerda. Shunday qilib, tushayotgan nurlarning to'lqin uzunligini kamaytirish orqali koordinataning noaniqligi o'zboshimchalik bilan kichik bo'lishi mumkin. Biroq, sochilgandan so'ng, elektron qandaydir qo'shimcha impulsga ega bo'ladi, uning noaniqligi ga teng. Agar hodisa nurlanishi kvantlangan bo'lmasa, bu noaniqlikni radiatsiya intensivligini kamaytirish orqali o'zboshimchalik bilan kichik qilish mumkin edi. Tushgan yorug'likning to'lqin uzunligi va intensivligi bir-biridan mustaqil ravishda o'zgarishi mumkin. Natijada, yorug'lik kvantlashi bo'lmaganda, bir vaqtning o'zida noaniqlik printsipiga zid bo'lgan elektronning fazodagi o'rnini va uning impulsini yuqori aniqlik bilan aniqlash mumkin edi.

Xuddi shunday, fotonlar uchun noaniqlik printsipi bir vaqtning o'zida elektromagnit to'lqindagi fotonlar sonini (Fok holati va ikkinchi kvantlash bo'limiga qarang) va ushbu to'lqinning fazasini aniq o'lchashni taqiqlaydi (kogerent holat va siqilgan kogerent holatga qarang):

Bose-Eynshteyn foton gaz modeli

Butun spinli zarrachalar sistemasiga qoʻllaniladigan kvant statistikasi 1924-yilda hind fizigi S.Bose tomonidan yorugʻlik kvantlari uchun taklif qilingan va A.Eynshteyn tomonidan barcha bozonlar uchun ishlab chiqilgan. Muayyan hajm ichidagi elektromagnit nurlanishni amalda bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydigan fotonlar to'plamidan iborat ideal gaz deb hisoblash mumkin. Ushbu foton gazining termodinamik muvozanatiga bo'shliq devorlari bilan o'zaro ta'sir qilish orqali erishiladi. Bu devorlar qancha vaqt birligida qancha foton chiqarsa, ular yutganda paydo bo'ladi. Bunday holda, hajm ichida zarrachalarning ma'lum energiya taqsimoti o'rnatiladi. Bose Plankning qora jism nurlanishi qonunini elektrodinamikadan umuman foydalanmasdan, shunchaki faza fazosida fotonlar tizimining kvant holatlarini hisoblashni o'zgartirish orqali oldi. Xususan, mutlaq qora bo'shliqdagi energiyasi to oraliqda to'g'ri keladigan fotonlar soni quyidagilarga teng ekanligi aniqlandi:

bu erda bo'shliqning hajmi, Dirac doimiysi, muvozanat foton gazining harorati (devorlarning harorati bilan mos keladi).

Muvozanat holatida mutlaq qora bo'shliqdagi elektromagnit nurlanish (issiqlik muvozanat nurlanishi yoki qora jismning nurlanishi deb ataladi) oddiy gaz kabi bir xil termodinamik parametrlar bilan tavsiflanadi: hajm, harorat, energiya, entropiya va boshqalar. Radiatsiya ta'sir qiladi. devorlarga bosim, chunki fotonlar impulsga ega. Ushbu bosimning harorat bilan bog'liqligi foton gazining holat tenglamasida aks ettirilgan:

Stefan-Boltzman doimiysi qayerda.

Eynshteyn ushbu modifikatsiya fotonlarning bir-biriga mutlaqo o'xshashligini tan olishga teng ekanligini ko'rsatdi va ular o'rtasida "sirli nolokal o'zaro ta'sir" mavjudligi nazarda tutilgan, bu endi kvant mexanik holatlarining zarracha almashinuviga nisbatan simmetrik bo'lishi talabi sifatida tushuniladi. Bu ish oxir-oqibat kogerent holatlar kontseptsiyasiga olib keldi va lazer ixtirosiga hissa qo'shdi. Xuddi shu maqolalarda Eynshteyn Bose g'oyalarini butun spinli (bozonlar) elementar zarrachalarga kengaytirdi va harorat ma'lum bir kritik qiymatga tushganda degeneratsiyalangan bozonik gaz zarralarining minimal energiyaga ega bo'lgan holatga massa o'tish hodisasini bashorat qildi ( Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi). Bu ta'sir 1995 yilda eksperimental tarzda kuzatilgan va 2001 yilda tajriba mualliflari Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. Zamonaviy ma'noda bozonlar, jumladan, fotonlar Bose-Eynshteyn statistikasiga, fermionlar, masalan, elektronlar Fermi-Dirak statistikasiga bo'ysunadi.

Spontan va rag'batlantirilgan emissiya

Eynshteyn assimilyatsiya tezligi va emissiya reaktsiyalari o'rtasidagi oddiy munosabatlarni taxmin qilishdan boshladi. Uning modelida chastotali fotonlarning yutilish tezligi va atomlarning energiya darajasidan energiya bilan yuqori darajaga o'tishi energiyaga ega atomlar soniga va bir xil chastotadagi fotonlar uchun nurlanishning spektral zichligiga mutanosibdir:

Bu yerda, yutilish reaksiya tezligi konstantasi (yutilish koeffitsienti). Teskari jarayonni amalga oshirish uchun ikkita imkoniyat mavjud: fotonlarning o'z-o'zidan chiqishi va tasodifiy foton bilan o'zaro ta'sir qilish orqali elektronning pastki darajaga qaytishi. Yuqorida tavsiflangan yondashuvga ko'ra, tizim tomonidan chastotali fotonlarning emissiyasini va atomlarning yuqori energiya darajasidan energiya bilan quyi darajaga o'tishini tavsiflovchi mos keladigan reaktsiya tezligi quyidagilarga teng:

Bu erda o'z-o'zidan emissiya koeffitsienti , tasodifiy fotonlar ta'sirida stimulyatsiya qilingan emissiya uchun mas'ul bo'lgan koeffitsient. Termodinamik muvozanatda energiya holatidagi atomlar soni va o'rtacha vaqt ichida doimiy bo'lishi kerak, shuning uchun qiymatlar va teng bo'lishi kerak. Bundan tashqari, Boltsman statistik xulosalari bilan taqqoslaganda, quyidagi munosabatlar mavjud:

bu erda energiya sathlarining degeneratsiyasining ko'pligi va , bu darajalarning energiyasi, Boltsman doimiysi, tizimning harorati. Yuqoridagilardan kelib chiqadiki:

Koeffitsientlar va Eynshteyn koeffitsientlari deyiladi.

Eynshteyn bu tenglamalarning barchasini to'liq tushuntira olmadi, lekin u kelajakda "mexanika va elektrodinamika kvant gipotezasiga mos keladigan tarzda o'zgartirilganda" koeffitsientlarni hisoblash mumkin bo'lishiga ishondi. Va bu haqiqatan ham sodir bo'ldi. 1926 yilda Pol Dirak yarim klassik yondashuv yordamida konstantani oldi va kvant nazariyasining asosiy tamoyillari asosida bu konstantalarning barchasini muvaffaqiyatli topdi. Bu ish kvant elektrodinamikasining, ya'ni elektromagnit maydonni kvantlash nazariyasiga asos bo'ldi. Ikkinchi kvantlash usuli deb ataladigan Dirak yondashuvi maydon kvant nazariyasining asosiy usullaridan biriga aylandi. Yana bir bor ta'kidlash kerakki, ilk kvant mexanikasida elektromagnit maydon emas, balki faqat moddaning zarralari kvant mexanikasi sifatida qaralgan.

Eynshteyn uning nazariyasi yo'nalishni tasvirlamaganligi sababli to'liq bo'lmagandek tuyulishidan xavotirda edi spontan emissiya foton. Yorug'lik zarralari harakatining ehtimollik xususiyatini birinchi bo'lib Isaak Nyuton qo'sh sinish hodisasini (anizotrop muhitda yorug'lik dastasini ikki komponentga bo'lish effekti) va umuman olganda, yorug'likning bo'linish hodisasini tushuntirishda ko'rib chiqdi. nurlarni ikki muhit chegarasida aks ettiruvchi va singan nurlarga aylantiradi. Nyuton yorug'lik zarralarini tavsiflovchi "yashirin o'zgaruvchilar" ma'lum bir zarrachaning ikkita bo'lingan nurdan qaysi biriga o'tishini aniqlashni taklif qildi. Xuddi shunday, Eynshteyn kvant mexanikasidan uzoqlasha boshlagan holda, mikrodunyoning umumiyroq nazariyasi paydo bo'lishiga umid qildi, unda tasodifga o'rin bo'lmaydi. Shunisi e'tiborga loyiqki, Maks Bornning to'lqin funktsiyasining ehtimollik talqinini kiritishi, yanada umumiy nazariyani izlayotgan Eynshteynning keyingi ishi bilan rag'batlantirildi.

Ikkinchi kvantlash

Matematik jihatdan ikkinchi kvantlash usuli shundan iboratki, kvant tizimi quyidagilardan iborat katta raqam bir xil zarralar , to'lqin funktsiyalari yordamida tasvirlangan, unda ishg'ol raqamlari mustaqil o'zgaruvchilar rolini o'ynaydi. Ikkinchi kvantlash ma'lum holatdagi zarrachalar sonini (yashash raqamlari) bittaga ko'paytiruvchi va kamaytiruvchi operatorlarni kiritish orqali amalga oshiriladi. Bu operatorlar ba'zan tug'ilish va yo'q qilish operatorlari deb ataladi. Matematik jihatdan to'ldirish va yo'q qilish operatorlarining xossalari almashtirish munosabatlari orqali beriladi, ularning shakli zarracha spini bilan belgilanadi. Bunday tavsif bilan to'lqin funksiyasining o'zi operatorga aylanadi.

Zamonaviy jismoniy yozuvlarda kvant holati elektromagnit maydon Fok holati sifatida yoziladi, har bir elektromagnit rejim holatlarining tenzor mahsuloti:

bu yerda rejimdagi fotonlar soni bilan holatni ifodalaydi.Rejimda yangi fotonning (masalan, atomik o'tishda chiqariladigan) yaratilishi quyidagicha yoziladi:

Foton o'lchagich bozon sifatida

Asosiy maqola: O'lchov nazariyasi

Elektromagnit maydonni tavsiflovchi Maksvell tenglamalari fazo-vaqt koordinatalarining o'zgarishiga nisbatan elektronning o'lchov o'zgarmasligi talabini bajarish natijasida o'lchov nazariyasi tasvirlaridan olinishi mumkin. Elektromagnit maydon uchun bu o'lchov simmetriyasi, energiya yoki Lagrangian bilan bo'lgani kabi, murakkab sonlarning xayoliy qismni haqiqiy qismga ta'sir qilmasdan o'zgartirish qobiliyatini aks ettiradi.

Standart modelda foton elektr zaif o'zaro ta'sirda ishtirok etadigan to'rtta o'lchovli bozonlardan biridir. Qolgan uchtasi (W +, W - va Z 0) vektor bozonlari deb ataladi va faqat zaif o'zaro ta'sir uchun javobgardir. Fotondan farqli o'laroq, vektor bozonlari massaga ega, ular massiv bo'lishi kerak, chunki zaif o'zaro ta'sir faqat juda kichik masofalarda namoyon bo'ladi,<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.

Fotonlarning tizim massasiga qo'shgan hissasi

Moddadagi fotonlar

Yorug'lik shaffof muhitda vakuumdagi yorug'lik tezligidan kamroq tezlikda tarqaladi. Masalan, radiatsiya qiluvchi quyosh yadrosidan yo'lda ko'plab to'qnashuvlarni boshdan kechiradigan fotonlar Quyosh yuzasiga etib borishi uchun taxminan bir million yil kerak bo'ladi. Biroq, koinotda harakatlanayotgan bir xil fotonlar Yerga atigi 8,3 daqiqada etib boradi. Yorug'lik tezligining pasayishini tavsiflovchi qiymat moddaning sinishi indeksi deb ataladi.

Klassik nuqtai nazardan, sekinlashuvni quyidagicha izohlash mumkin. Yorug'lik to'lqinining elektr maydon kuchi ta'sirida muhit atomlarining valentlik elektronlari majburiy garmonik tebranishlarni amalga oshira boshlaydi. Tebranish elektronlari ma'lum bir kechikish bilan tushayotgan yorug'lik bilan bir xil chastota va intensivlikdagi ikkilamchi to'lqinlarni chiqarishni boshlaydi, ular dastlabki to'lqinga aralashib, uni sekinlashtiradi. Korpuskulyar modelda sekinlashuv o'rniga qutb hosil qilish uchun materiyadagi kvant buzilishlari (kvazizarralar, fononlar va eksitonlar) bilan fotonlarni aralashtirish orqali tasvirlanishi mumkin. Bunday polariton nolga teng bo'lmagan samarali massaga ega, shuning uchun u endi tezlikda harakatlana olmaydi. Fotonlarning boshqa kvazizarralar bilan oʻzaro taʼsirini bevosita Raman effektida va Mandelstam-Brilyuen sochilishida kuzatish mumkin.

Xuddi shunday, fotonlarni ham har doim yorug'lik tezligida, hatto materiyada ham harakatlanadigan zarralar sifatida ko'rish mumkin, lekin ularning tezligini emas, balki to'lqin uzunligini va momentumini o'zgartiradigan atomlar bilan o'zaro ta'sir tufayli faza almashinuvini (kechikish yoki oldinga) boshdan kechiradi. Ushbu fotonlardan tashkil topgan to'lqin paketlari dan kamroq tezlikda harakat qiladi. Shu nuqtai nazardan qaraganda, fotonlar go'yo "yalang'och" bo'lib, shuning uchun ular atomlar tomonidan tarqalib ketgan va ularning fazalari o'zgaradi. Holbuki, oldingi paragrafda tasvirlangan nuqtai nazardan, fotonlar materiya bilan o'zaro ta'sir qilish orqali "kiyingan" va tarqalmasdan va fazalar siljishisiz, lekin past tezlikda harakatlanadi.

Chastotaga qarab yorug'lik materiya bo'ylab turli tezliklarda tarqaladi. Optikadagi bu hodisa dispersiya deb ataladi. Muayyan sharoitlar yaratilganda, moddada yorug'likning tarqalish tezligi juda kichik bo'lishiga erishish mumkin ("sekin yorug'lik" deb ataladi). Usulning mohiyati shundaki, elektromagnit induktsiyalangan shaffoflik ta'siridan foydalanib, uning yutilish spektrida juda tor chuqurlikka ega bo'lgan muhitni olish mumkin. Bunday holda, sindirish ko'rsatkichining o'ta keskin o'zgarishi ushbu chuqurlik hududida kuzatiladi. Ya'ni, bu sohada muhitning katta dispersiyasi (normal spektral bog'liqlik bilan - chastotaning oshishi tomon sinishi indeksining oshishi) va uning nurlanish uchun shaffofligi birlashtirilgan. Bu yorug'likning guruh tezligini sezilarli darajada kamaytirishni ta'minlaydi (ma'lum sharoitlarda 0,091 mm / gacha).

Fotonlar yadrolar, atomlar yoki molekulalar tomonidan ham so'rilishi mumkin, bu ularning energiya holatlari o'rtasida o'tishni keltirib chiqaradi. Klassik misol 1958 yilda amerikalik biokimyogar Nobel mukofoti laureati Jorj tomonidan asos solingan retinolning (A vitamini) hosilasi bo'lgan retinalni o'z ichiga olgan rodopsinning retinal tayoqchalarining vizual pigmenti tomonidan fotonlarni so'rilishini ko'rsatadi. Wald va uning hamkorlari. Fotonning rhodopsin molekulasi tomonidan yutilishi retinaning trans-izomerizatsiya reaktsiyasini keltirib chiqaradi, bu esa rodopsinning parchalanishiga olib keladi. Shunday qilib, boshqa fiziologik jarayonlar bilan birgalikda fotonning energiyasi nerv impulsi energiyasiga aylanadi. Fotonning yutilishi hatto xlorning fotodissotsiatsiyasida bo'lgani kabi kimyoviy bog'larning uzilishiga ham olib kelishi mumkin; bunday jarayonlar fotokimyoning o'rganish ob'ekti hisoblanadi.

Texnik dastur

O'z ishlarida qandaydir tarzda fotonlardan foydalanadigan ko'plab texnik qurilmalar mavjud. Quyida illyustratsiya maqsadida ulardan bir nechtasi keltirilgan.

Fotonlardan foydalanadigan muhim texnik qurilma lazerdir. Uning ishi yuqorida muhokama qilingan stimulyatsiya qilingan emissiya fenomeniga asoslangan. Lazerlar texnologiyaning ko'plab sohalarida qo'llaniladi. Texnologik jarayonlar (metallarni payvandlash, kesish va eritish) asosan yuqori o'rtacha quvvatga ega gaz lazerlari tomonidan amalga oshiriladi. Metallurgiyada ular o'ta toza metallarni olish imkonini beradi. Ultrastabil lazerlar optik chastota standartlari, lazerli seysmograflar, gravimetrlar va boshqa nozik jismoniy asboblarning asosidir. Chastotani sozlash mumkin bo'lgan lazerlar (masalan, bo'yoq lazeri) spektroskopiyani inqilob qilib, alohida atomlarning spektrlarini kuzatishgacha bo'lgan usulning aniqligi va sezgirligini sezilarli darajada oshirdi. Lazerlar tibbiyotda qonsiz skalpel sifatida, ko'z va teri kasalliklarini davolashda ham qo'llaniladi. Lazer diapazoni kosmik navigatsiya tizimlarini takomillashtirishga hissa qo'shdi, atmosfera va sayyoralar yuzasining tuzilishi haqidagi bilimlarni kengaytirdi, Venera va Merkuriyning aylanish tezligini o'lchash imkonini berdi, Oy va Oyning harakat xususiyatlarini sezilarli darajada aniqladi. Venera sayyorasi astronomik ma'lumotlarga nisbatan. Lazerlardan foydalanish bilan ular boshqariladigan termoyadro sintezi muammosini hal qilishga harakat qilmoqdalar. Lazerlar kundalik hayotda keng qo'llaniladi (lazerli printerlar, DVD disklar, lazer ko'rsatkichlari va boshqalar).

Fotonlarning modda tomonidan emissiyasi va yutilishi spektral tahlilda qo'llaniladi. Har bir kimyoviy elementning atomlari qat'iy belgilangan rezonans chastotalariga ega, buning natijasida ular shu chastotalarda yorug'likni chiqaradi yoki yutadi. Bu atomlar va ulardan tashkil topgan molekulalarning emissiya va yutilish spektrlari inson barmoq izlari kabi individual bo'lishiga olib keladi.

Amaldagi usullarga ko'ra spektral tahlilning bir necha turlari ajratiladi:

1. Emissiyaviy, atomlarning emissiya spektrlaridan foydalangan holda, kamroq - molekulalar. Ushbu turdagi tahlil namunani gaz yondirgich alangasida, doimiy yoki o'zgaruvchan tok yoyida yoki yuqori voltli elektr uchqunlarida yoqishni o'z ichiga oladi. Emissiya tahlilining alohida holati lyuminestsent tahlil hisoblanadi.
2. singdirish, bu asosan molekulalarning yutilish spektridan foydalanadi, lekin atomlarga ham qo'llanilishi mumkin. Bu erda namuna butunlay gaz holatiga aylanadi va u orqali uzluksiz nurlanish manbasidan yorug'lik o'tadi. Chiqishda uzluksiz spektr fonida bug'langan moddaning yutilish spektri kuzatiladi.
3. rentgen nurlari, bu atomlarning rentgen nurlari spektrlaridan, shuningdek, uning tuzilishini o'rganish uchun o'rganilayotgan ob'ektdan o'tayotganda rentgen nurlarining difraksiyasidan foydalanadi. Usulning asosiy afzalligi shundaki, rentgen spektrlari bir nechta chiziqlarni o'z ichiga oladi, bu namuna tarkibini o'rganishni sezilarli darajada osonlashtiradi. Kamchiliklar orasida uskunaning past sezgirligi va murakkabligi bor.

Sifatli spektral tahlilda komponentlarning miqdoriy nisbatini ko'rsatmasdan faqat namunaning tarkibi aniqlanadi. Oxirgi masala spektrdagi chiziqlarning intensivligi o'rganilayotgan namunadagi tegishli moddaning tarkibiga bog'liqligiga asoslanib, miqdoriy spektral tahlilda hal qilinadi. Shunday qilib, moddaning spektri bo'yicha uning kimyoviy tarkibini aniqlash mumkin. Spektral tahlil sezgir usul boʻlib, analitik kimyo, astrofizika, metallurgiya, mashinasozlik, geologiya-qidiruv va fanning boshqa sohalarida keng qoʻllaniladi.

Eng so'nggi tadqiqot

Hozirgi vaqtda fotonlarning xossalari nazariy jihatdan yaxshi tushunilgan deb hisoblashadi. Standart model fotonlarni nol dam massasi va nol elektr zaryadli spin-1 o'lchovli bozonlar sifatida ko'rib chiqadi (ikkinchisi, xususan, mahalliy unitar simmetriya U(1) va elektromagnit o'zaro ta'sir bo'yicha tajribalardan kelib chiqadi). Biroq, fiziklar eksperiment va Standart model qoidalari o'rtasidagi nomuvofiqlikni qidirishda davom etmoqdalar. Fotonlarning massasi va zaryadini aniqlash bo'yicha davom etayotgan tajribalarning aniqligi doimiy ravishda oshib bormoqda. Fotonlarda eng kichik miqdordagi zaryad yoki massaning topilishi standart modelga jiddiy zarba beradi. Hozirgacha o'tkazilgan barcha tajribalar fotonlarning na zaryadga, na tinch massaga ega ekanligini ko'rsatdi.Fotonning zaryadini o'lchash mumkin bo'lgan eng yuqori aniqlik bu 5 10 −52 S(yoki 3 10 −33 ); massa uchun - 1,1 10 −52 kg (6 10 −17 eV / 2 yoki 1 10 −22 ).

Ko'pgina zamonaviy tadqiqotlar fotonlarni kvant optikasi sohasida qo'llashga bag'ishlangan. Fotonlar ular asosida juda samarali kvant kompyuterlarini yaratish uchun mos zarralar kabi ko'rinadi. Kvant chalkashliklari va tegishli kvant teleportatsiyasini o'rganish ham zamonaviy tadqiqotlarning ustuvor yo'nalishi hisoblanadi. Bundan tashqari, chiziqli bo'lmagan optik jarayonlar va tizimlar, xususan, ikki fotonli yutilish fenomeni, fazali modulyatsiya va optik parametrik osilatorlarni o'rganish mavjud. Biroq, bunday hodisalar va tizimlar, asosan, ulardagi fotonlardan foydalanishni talab qilmaydi. Ular ko'pincha atomlarni chiziqli bo'lmagan osilatorlar sifatida ko'rib chiqish orqali modellashtirilishi mumkin. O'z-o'zidan parametrik sochilishning chiziqli bo'lmagan optik jarayoni ko'pincha chigal foton holatlarini yaratish uchun ishlatiladi. Nihoyat, fotonlar optik aloqada, shu jumladan, ishlatiladi

Foton. Fotonning tuzilishi. Harakat printsipi.

1-qism. Dastlabki ma'lumotlar.

1-qism. Dastlabki ma'lumotlar.

1.1. Foton elementar zarracha, elektromagnit nurlanish kvantidir.

1.2. Fotonni bir necha qismlarga bo'lish mumkin emas va vakuumda o'z-o'zidan parchalanmaydi.

1.3. Foton haqiqatan ham elektr neytral zarradir. Fotonning vakuumdagi harakati (harakati) tezligi "c" ga teng.

1.4. Yorug'lik - mahalliylashtirilgan zarralar oqimi - fotonlar.

1.5 . Fotonlar ko'pgina tabiiy jarayonlarda chiqariladi, masalan: zaryadlangan zarralar tezlanish bilan harakat qilganda (bremsstrahlung, sinxrotron, siklotron nurlanishi) yoki elektron qo'zg'alilgan holatdan kamroq energiyaga ega bo'lgan holatga o'tganda. Bu tabiatdagi asosiy fundamental o'zgarish - zaryadlangan zarrachaning kinetik energiyasini elektromagnitga (va aksincha) aylantirish natijasida sodir bo'ladi.

1.6. Foton korpuskulyar-to'lqinli dualizm bilan tavsiflanadi:

Bir tomondan, fotonlar diffraktsiya va interferentsiya hodisalarida to'lqinning xususiyatlarini fotonning to'lqin uzunligi bilan taqqoslanadigan masshtablarda namoyish etadi;

Boshqa tomondan, foton o'lchamlari to'lqin uzunligidan (masalan, atom yadrolari) kichikroq bo'lgan yoki nuqtali (elektron) deb hisoblangan jismlar tomonidan butunlay chiqariladigan yoki so'rilgan zarracha kabi harakat qiladi.

1.7. Yagonalikni hisobga olsak fotonlar to'lqinning xususiyatlarini namoyish etadi, foton "minito'lqin" (to'lqinning alohida, ixcham "bo'lagi") ekanligini juda ishonchli da'vo qilish mumkin. Bunday holda, to'lqinlarning quyidagi xususiyatlarini hisobga olish kerak:

a) uh elektromagnit to'lqinlar (va foton) elektr (E) va magnit (H) maydonlar vektorlari to'lqin tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar tebranadigan ko'ndalang to'lqinlar Elektromagnit to'lqinlar (foton) manbadan qabul qiluvchiga, shu jumladan vakuum orqali o'tkazilishi mumkin. Ular tarqatish uchun vositaga muhtoj emas.

b) elektromagnit to'lqinlar (va fotonlar) energiyasining yarmi magnitdir.

v) to'lqin jarayonining intensivligini tavsiflash uchun uchta parametr qo'llaniladi: to'lqin jarayonining amplitudasi, energiya zichligi.to'lqin jarayoni va energiya oqimining zichligi.

1.8. Bundan tashqari, foton strukturasining sxemasini va uning harakat tamoyilini ko'rib chiqishda quyidagi ma'lumotlar hisobga olingan:

a) fotonning emissiyasi amalda 10 -7 sek - 10 -15 sek tartibli vaqt oralig'ida o'tadi. Bu davrda fotonning elektromagnit maydoni noldan maksimalgacha oshadi va yana nolga tushadi. 1-rasmga qarang.

b) foton maydonidagi o'zgarish grafigi hech qanday tarzda kesilgan sinusoidning bo'lagi bo'la olmaydi, chunki kesish joylarida cheksiz kuchlar paydo bo'ladi;

ichida) elektromagnit to'lqinning chastotasi tajribalarda kuzatiladigan miqdor bo'lganligi sababli, bir xil chastotani (va to'lqin uzunligini) alohida fotonga ham kiritish mumkin. Shuning uchun foton parametrlari to'lqinlar kabi E = h* formulasi bilan tavsiflanadi. f , bu erda h - Plank doimiysi, u foton energiyasining kattaligini uning chastotasiga bog'laydi ( f).

Guruch. 1. Foton moddiy zarracha boʻlib, toʻlqinning ixcham (boshi va oxiri boʻlgan), boʻlinmas “boʻlagi” boʻlib, unda elektromagnit maydon noldan maʼlum bir maksimalgacha oshadi va yana nolga tushadi. Magnit maydonlar shartli ravishda ko'rsatilmaydi.

2-qism. Foton tuzilishining asosiy tamoyillari.

2.1. Elektromagnit to'lqinlar (fotonlar) haqidagi deyarli barcha maqolalarda raqamlar ikkita maydondan tashkil topgan to'lqinni tasvirlaydi va grafik tarzda ko'rsatadi - elektr va magnit, masalan, tirnoq: "Elektromagnit maydon elektr magnit maydonlarining birikmasidir ...". Biroq, "ikki komponentli" elektromagnit to'lqinning (va foton) mavjudligi bitta oddiy sababga ko'ra mumkin emas: elektromagnit to'lqinda (fotonda) bir komponentli elektr va bir komponentli magnit maydon mavjud emas va mavjud bo'lishi mumkin emas. Tushuntirish:

a) ideal sharoitda parametrlarni hisoblash yoki aniqlash uchun ishlatiladigan nazariy modellar-formulalar-qonunlar mavjud (masalan, ideal gazning nazariy modeli). Bu mutlaqo qabul qilinadi. Biroq, real sharoitlarda hisob-kitoblar uchun ushbu formulalarga muhitning haqiqiy parametrlarini aks ettiruvchi tuzatish omillari kiritiladi.

b) «elektr maydoni» deb ataluvchi nazariy model ham mavjud. Bu nazariy muammolarni hal qilish uchun maqbuldir. Biroq, haqiqatda faqat ikkita elektr maydoni mavjud: elektr maydoni-plyus (№1) va elektr maydoni-minus (№2). "zaryadsiz" deb nomlangan moddalar? elektr neytralmi? 3-sonli elektr maydoni haqiqatda mavjud emas va mavjud bo'lishi mumkin emas. Shuning uchun, "elektr maydoni" deb nomlangan nazariy modelda real sharoitlarni modellashda doimo ikkita "tuzatish omili" - haqiqiy elektr maydoni-plyus va haqiqiy elektr maydoni-minusni hisobga olish kerak.

v) «magnit maydon» degan nazariy model mavjud. Bu ba'zi vazifalar uchun juda maqbuldir. Biroq, aslida, magnit maydon har doim ikkita magnit qutbga ega: qutb №1 (N) va qutb №2 (S). "Polar bo'lmagan" deb ataladigan moddalar? 3-sonli magnit maydon mavjud emas va haqiqatda ham bo'lishi mumkin emas.Shuning uchun “magnit maydon” deb ataladigan nazariy modelda real sharoitlarni modellashda har doim ikkita “tuzatish omili”ni – qutb-N va qutbni hisobga olish zarur. S.

2.2. Shunday qilib, yuqoridagilarni hisobga olgan holda, biz aniq bir xulosaga kelishimiz mumkin: foton - bu ixcham (boshi va oxiriga ega), moddiy zarracha, unda materiya ikkita elektr (ortiqcha yoki minus) va ikkita magnitning birikmasidir. (N-S) o'z manbalaridan zaiflashmasdan (vakuumda) o'zboshimchalik bilan uzoq masofalarga tarqaladigan maydonlar. 2-rasmga qarang.

2-rasm. Foton ikkita elektr maydoni (ortiqcha va minus) va ikkita magnit maydonning (N va S) birikmasidir. Bunday holda, fotonning umumiy elektron neytralligi to'liq kuzatiladi. Bu ishda minus elektr maydoni magnit maydon-N bilan, ortiqcha elektr maydoni esa magnit maydon-S bilan birlashtirilgan deb faraz qilingan.

3-qism. Energiya kvanti va massa kvanti.

3.1. Bir tomondan, foton ixcham, bo'linmas zarra bo'lib, unda elektromagnit maydon noldan ma'lum bir maksimalgacha oshadi va yana nolga tushadi. Ya'ni, foton juda haqiqiy chiziqli o'lchamga ega (boshi va oxiri).

3.2. Biroq, boshqa tomondan, to'lqinlar kabi foton parametrlari E = h * formulasi bilan tavsiflanadi. f , bu erda h - Plank doimiysi (eV * sek), foton energiyasining qiymatini uning chastotasiga bog'laydigan elementar harakat kvanti (asosiy dunyo doimiysi). f).

3.3. Bu bizga buni taxmin qilish imkonini beradi barcha fotonlar to'lqin uzunligi mutlaqo bir xil bo'lgan "mustaqil" elektr neytral "o'rtacha" elementar energiya kvantlarining (eV) aniq belgilangan sonidan (n) iborat. L ). Bu holda har qanday fotonning energiyasi: E = e 1 *n, qaerda (masalan 1 ) - elementar kvantning energiyasi, (n) - fotondagi ularning soni. 3-rasmga qarang.

3-rasm.

a) "normal" foton (elektromagnit maydon noldan ma'lum bir maksimalgacha ortadi va yana nolga tushadi);

b) "o'rtacha" kvantlardan bir xil foton. Har qanday foton mutlaqo bir xil "o'rtacha" elementar energiya kvantlarining aniq belgilangan sonidan iborat deb taxmin qilish mumkin;

v) elementar "o'rtacha" foton energiya kvanti. Energiyaning elementar kvanti (o'lcham - eV) barcha diapazondagi barcha elektromagnit to'lqinlar uchun mutlaqo bir xil va Plank ta'sirining elementar kvantiga o'xshaydi (o'lcham - eV * sek). Bu holda: E (eV) = h* f = e 1 *n.

3.4. Foton masalasi. Fotonlar tabiatdagi asosiy fundamental transformatsiya - zaryadlangan zarrachaning kinetik energiyasini elektromagnit energiyaga aylantirish va aksincha - fotonlarning elektromagnit energiyasini zaryadlangan zarrachaning kinetik energiyasiga aylantirish natijasida chiqariladi. Biroq, kinetik energiya moddiy emas va fotonning elektromagnit energiyasi moddaning barcha xususiyatlariga ega. Shunday qilib: Tabiatdagi asosiy fundamental o'zgarish natijasida zaryadlangan zarrachaning moddiy bo'lmagan kinetik energiyasi materiyaning juda haqiqiy xususiyatlariga ega bo'lgan fotonning elektr va magnit maydonlarining energiyasiga aylanadi: impuls, tezlik, massa. , va boshqa xususiyatlar. Foton moddiy bo'lgani uchun uning barcha tarkibiy qismlari ham moddiydir. Ya'ni: energiyaning elementar kvanti avtomatik ravishda massaning elementar kvantidir.

3.5. Har qanday foton aniq belgilangan miqdordagi "mustaqil" elektr neytral elementar energiya kvantlaridan iborat. Va sxemani ko'rib chiqish elementar kvantning tuzilishi shuni ko'rsatadi:

a) elementar kvantni ikkita teng qismga bo'lish mumkin emas, chunki bu avtomatik ravishda zaryadning saqlanish qonunining buzilishiga olib keladi;

b) elementar kvantdan kichikroq qismni “kesish” ham mumkin emas, chunki bu avtomatik ravishda ushbu kvant uchun Plank doimiysi (fundamental doimiysi) qiymatining o'zgarishiga olib keladi.

3.6. Natijada:

Birinchidan. Fotonlarning elektromagnit energiyasini zaryadlangan zarrachaning kinetik energiyasiga aylantirish doimiy funktsiya bo'lishi mumkin emas - elektromagnit energiya zarrachalarning kinetik energiyasiga (va aksincha) faqat bitta elementarga ko'payadigan energiya qiymatlarida aylantirilishi mumkin. energiya kvanti.

Ikkinchi. Kvarklar, protonlar, neytronlar va boshqa zarralarning qobiqlari bo'lgani uchunfotonlarning siqilgan elektr neytral moddasi, keyin bu qobiqlarning massalari ham muhimdir , elementar massa kvantining karralari.

3.7. Izoh: shunga qaramay, elementar kvantlarning ikkita mutlaqo teng qismga (musbat va manfiy) bo'linishi elektron-pozitron juftliklarining hosil bo'lishi paytida juda mumkin (va sodir bo'ladi). Bunda elektron va pozitronning massasimasala , massaning elementar kvantining yarmiga karrali (qarang: " Elektron. Elektronning shakllanishi va tuzilishi. Elektronning magnit monopoliyasi).

4-qism. Foton harakatining asosiy tamoyillari.

4.1. Moddiy foton-zarracha harakati faqat ikki usulda amalga oshirilishi mumkin:

Variant-1: foton inertsiya bilan harakat qiladi;

Variant-2: foton o'ziyurar zarrachadir.

4.2. Noma'lum sabablarga ko'ra, elektromagnit to'lqinlarning (va fotonlarning) inertial harakati elektromagnit to'lqinlar haqidagi deyarli barcha maqolalarda nazarda tutilgan yoki eslatib o'tilgan va grafik ko'rsatilgan, masalan: Vikipediya. elektromagnit nurlanish. Ingliz. 4-rasmga qarang.

4-rasm. Fotonning inertial harakati misoli (Vikipediya. Elektromagnit nurlanish). Foton kuzatuvchining yonidan chapdan o'ngga tezlik bilan harakatlanadi V = "bilan". Bunday holda, sinusoidning barcha gulbarglari o'z parametrlarini o'zgartirmaydi, ya'ni: foton mos yozuvlar tizimida ular mutlaqo harakatsizdir.

4.3. Biroq, fotonning inertial harakati, masalan, quyidagi sabablarga ko'ra mumkin emas: foton to'siqdan (shishadan) o'tganda uning tezligi pasayadi, lekin to'siqdan (bir yoki bir nechta) o'tgandan so'ng, foton yana " bir zumda” va tezligini “c” = const ga tiklaydi. Inertial harakat bilan tezlikni bunday mustaqil ravishda tiklash mumkin emas.

4.4. To'siqdan o'tgandan keyin fotonning tezligini "lahzali" oshirish ("c" = const gacha) faqat fotonning o'zi o'ziyurar zarracha bo'lsa mumkin. Bunday holda, fotonning o'z-o'zidan harakatlanish mexanizmi faqat mavjud elektr (ortiqcha va minus) va magnit (N va S) maydonlarining qutbliligini bir vaqtning o'zida yarim davrga siljishi bilan, ya'ni ikki barobar chastotasi (2 * f). 5-rasmga qarang.

5-rasm. Maydonlarning qutblilik teskarisi tufayli foton harakati sxemasi. "Fragment" - maydon-plyusning polaritesini o'zgartirish ketma-ketligi.

4.5. Foton harakati mexanizmini tushuntirish quyidagi ma'lumotlarga asoslangan edi:

a) fotonning elektromagnit maydoni o'zgaruvchan elektr (ortiqcha yoki minus) va magnit (N va S) maydonlarining birikmasidir;

b) fotonning elektr va magnit maydonlari yo'qolishi mumkin emas - ular faqat bir-biriga aylanishi mumkin. O'zgaruvchan elektr maydoni tomonidan magnit maydonning paydo bo'lishi asosiy tabiiy hodisadir;

v) magnit maydon faqat vaqt bo'yicha o'zgaruvchan elektr maydon mavjud bo'lganda paydo bo'ladi va aksincha (elektr maydonining har bir o'zgarishi magnit maydonni qo'zg'atadi va o'z navbatida magnit maydonning o'zgarishi elektr maydonini qo'zg'atadi). Shuning uchun fotonning magnit maydonlari faqat foton o'zgaruvchan belgilarga va vaqt bo'yicha o'zgaruvchan elektr maydonlariga (fotonning mos yozuvlar doirasida) ega bo'lganda paydo bo'lishi mumkin.

4.6. Foton qutbliligini o'zgartirish mexanizmini tushuntirishda quyidagi variantlar ko'rib chiqildi:

a) foton oldida bo'sh joy mavjudligi. Foton sinusoid ko'rinishidagi to'lqinning ixcham, bo'linmas "bo'lagi" bo'lib, unda elektromagnit maydonlar noldan ma'lum bir maksimalgacha oshadi va yana nolga tushadi. Ya'ni: fotonning "tanasi" juda haqiqiy geometrik uzunlikka ega (boshi va oxiri). Fotonning harakati har bir qutblilikni o'zgartirish akti uchun bir yarim sikl (1/2L) masofada foton harakati tufayli sodir bo'ladi. Va bu harakat har doim faqat bitta yo'nalishda (oldinga) sodir bo'lishi mumkin, bu erda foton oldida bo'sh joy mavjud;

b) “Qarama-qarshiliklarning kurashi”. Fotonning elektromagnit maydoni o'zgaruvchan elektr (ortiqcha yoki minus) va magnit (N va S) maydonlarining birikmasidir. Bu ishda minus elektr maydoni magnit maydon-N bilan, ortiqcha elektr maydoni esa magnit maydon-S bilan birlashtirilgan deb faraz qilingan. Ammo bu holda N va S magnit maydonlarining doimiy (va qonuniy) bir-biriga tutash, ya'ni to'laqonli "bipolyar magnit" yaratish istagi mavjud. Buning uchun magnit maydonlardan biri yarim davrga siljishi kerak. Shu bilan birga, magnit va elektr maydonlari bir-biriga "chambarchas" bog'langan va magnit maydonning elektr maydonidan "bir zumda" "ozod qilish" uchun har qanday urinishi qarama-qarshi reaktsiyaga olib keladi - bu barcha maydonlarning qutbli o'zgarishiga (o'tkazilishiga) sabab bo'ladi. yarim davr uchun ularning avtomatik siljishi.

4.7. Fotonning o'z-o'zidan harakatlanish mexanizmini tushuntirishning boshqa variantlari yo'qligi sababli, maydonlar qutblarining teskari o'zgarishi tufayli fotonning harakati muammoning yagona echimi bo'ladi. Faqat qutblilikni teskari o'zgartirish rejimi fotonning o'z-o'zidan harakatlanish rejimini saqlab turishga imkon beradi va shu bilan birga tabiatning asosiy qonuniga rioya qilishni ta'minlaydi - vaqt o'zgarishi va belgisi o'zgarib turadigan elektr maydoni mavjud bo'lganda magnit maydon hosil bo'lishi ( va aksincha). Polaritni o'zgartirish mexanizmining taklif qilingan variantlari (sabablari va ketma-ketligi) ushbu maqolada taqdim etilmaydigan qo'shimcha tadqiqotlarni talab qiladi. Shunga qaramay, yuqoridagi tushuntirishlar yorug'lik tezligining doimiyligi muammosini hal qilishda mavjud vaziyatdan chiqishning maqbul yo'lidir, chunki ular fotonlarning o'z-o'zini harakati mexanizmini tushuntirishga u yoki bu aniqlik darajasiga imkon beradi.

4.8. foton tezligi. Vakuumdagi elektromagnit to'lqinlarning (fotonlarning) tezligi (lar), ularning chastotasi ( f ) va to'lqin uzunligi (L ) quyidagi formula bo'yicha qat'iy bog'langan: s = f*L . Shu bilan birga, shuni yodda tutish kerakki, fotonning harakati uning elektr va magnit maydonlarining bir vaqtning o'zida teskari aylanishi tufayli sodir bo'ladi, bunda foton har bir harakat uchun bir yarim tsikl (L / 2) masofaga siljiydi. polaritning teskari o'zgarishi, ya'ni ikki barobar chastota bilan. Shuni yodda tutgan holda, tezlik formulasi c \u003d 2 kabi ko'rinadi f*L /2, bu asosiy formula bilan mutlaqo bir xil: c = f*L.

5. Yo'l:

5.1. Foton - bu mahalliylashtirilgan (ixcham) moddiy zarra bo'lib, unda materiya ikkita elektr (ortiqcha va minus) va ikkita magnit (N va S) maydonlarning birikmasidan iborat bo'lib, ularning qiymatlari noldan ma'lum bir maksimalgacha va yana ortadi. nolga tushadi. Bunday holda, fotonning umumiy elektron neytralligi to'liq kuzatiladi.

5.2. Tabiatdagi asosiy fundamental transformatsiya natijasida zaryadlangan zarrachaning nomoddiy kinetik energiyasi fotonning elektr va magnit maydonlarining moddiy energiyasiga aylanadi. Foton moddiy bo'lib, avtomatik ravishda elementar massa kvantlari bo'lgan mutlaqo bir xil "o'rtacha" elementar energiya kvantlarining aniq belgilangan sonidan iborat.

5.3. Foton - bu o'z manbasidan ixtiyoriy ravishda katta masofalarga (vakuumda) o'tishga qodir bo'lgan o'ziyurar zarracha. Uning harakati uchun vosita kerak emas. Fotonning harakati o'zgaruvchan elektr (ortiqcha yoki minus) va magnit (N va S) maydonlarining qutbliligini teskari o'zgartirishi tufayli sodir bo'ladi, bunda foton qutblanishning har bir harakati uchun bir yarim sikl masofaga siljiydi.

5.4. Bu ishda har bir elementar kvantda minus elektr maydoni magnit maydon-N bilan, plyus elektr maydoni esa magnit maydon-S bilan birikadi, deb faraz qilingan. Maydonlarni birlashtirishning boshqa variantlari qo'shimcha ishlab chiqishni talab qiladi va bu maqolada ko'rib chiqilmagan.