Фотон – первая элементарная частица Вселенной

В нашем пространстве не существует области, в которой нет материи хотя бы в виде волн, иначе мы об этой части Вселенной ничего не узнали бы. И это точно согласуется с мудростью Евангелия, так как из закона сохранения энергии следует, что если тьма (пустое пространство) поглотит фотон, значит, в ней присутствует атом и, следовательно, эта область не пуста!

Со временем фотоны, двигаясь со скоростью света, увеличивают нашу Вселенную, и если бы она не расширялась, сбрасывать энергию было бы некуда, и её температура не снижалась бы с момента Большого взрыва, а вся материя существовала бы только в форме сверхгорячей плазмы, и, следовательно, вещество не могло бы находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии.

И свет во тьме светит, и тьма не объяла его. (Ин 1:5)

Электромагнитные волны

В 1672 году Исаак Ньютон провёл опыты с видимым светом и с помощью призмы разложил пучок белого света в спектр.

Таким образом он создал рукотворную радугу. Это явление получило называние дифракция. Оно показывает, что видимый белый свет представляет собой набор пучков волн разного цвета, различающихся своей частотой. Что это за волны? Долгое время физики считали, что световые волны представляют собой колебания особой среды – так называемого «светоносного эфира», но благодаря Максвеллу и Герцу было выяснено, что видимый нами свет – это электромагнитное явление.

Для измерения характеристик волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов используются специальные высокоточные приборы – спектрометры.

Именно с их помощью были определены спектры, излучаемые атомами. Оказалось, что они имеют очень узкие спектральные линии, причём каждый тип атома имеет свой неповторимый «спектральный портрет», что позволяет удалённо исследовать химический состав Солнца и далеких звёзд, а также определять характеристики их движения.

Уравнения для электромагнитного поля (ЭМП) с введённым в них током смещения в вакууме были сформулированы Максвеллом в 1864 году. Из его теории следовало существование электромагнитных волн (ЭМВ). Видимый свет рассматривался как участок спектра с определённым диапазоном длин волн. Данное утверждение первоначально основывалось на фактах совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн, а также выводах, что эти волны являются поперечными, как и световые. Эти выводы Максвелла были впоследствии подтверждены экспериментально.

Генрих Герц в 1886–1888 годах изобрёл дипольный вибратор в качестве излучателя и специальный искровой детектор в качестве приёмника электромагнитных волн, тем самым экспериментально доказал их существование через 22 года после теоретического предсказания.

При изучении ЭМВ довольно быстро было обнаружено, что напряжённости электрического и магнитного полей в ней меняются синфазно, что означает отсутствие энергообмена между этими двумя полями. В школьном курсе физики на такой досадной «мелочи» обычно внимание не заостряют. Тем не менее закон сохранения энергии требует, чтобы в любой точке волны сохранялась полная энергия, равная сумме её кинетической и потенциальной составляющих. Так как за потенциальную часть энергии волны отвечает напряжённость электрического поля E, параметром, отвечающим за кинетическую энергию, как раз и является введённый Максвеллом ток смещения, представляющий собой колебательные движения зарядовых плотностей в направлении, поперечном движению волны. А магнитную составляющую ЭМП можно (и нужно) рассматривать как релятивистский эффект, возникающий при движении электрического поля.
Ещё одним недостатком классического изображения электромагнитной волны является её одномерность – график показывает её распространение вдоль какого-то одного направления, тогда как в реальности она представляет собой сложное трёхмерное электромагнитное явление, изобразить которое весьма непросто.

Типы электромагнитных излучений

Всем видам электромагнитных волн присущи общие характеристики:

• Во-первых, ЭМВ распространяется от своего источника со скоростью распространения света в данной среде.
• Во-вторых, после излучения ЭМВ становится полностью независимой от своего источника.
• В-третьих, ЭМВ переносит энергию и импульс.

Вместе с тем ЭМВ имеют существенные отличия. Главное из них – частотный спектр. Он может быть непрерывным, дискретным либо смешанным. Волны, имеющие одну постоянную частоту, называются монохромными.

Второе существенное отличие – направление излучения. Оно может меняться от сферического (то есть излучаемого во все стороны) до сверхузконаправленного. Кроме того, волны различаются по своей поляризации и ряду других признаков.

Чтобы получить электромагнитную волну, необходима излучающая система, например, радиопередатчик, но и простой фонарик тоже подойдёт. При огромном различии излучающих систем все их можно свести к диполю либо совокупности диполей (квадруполи, мультиполи). Причём интенсивность (мощность) излучения оказывается пропорциональна третьей производной от координаты движущихся в излучаемой системе носителей заряда (называемой в физике «рывок»). Следовательно, если ускорение происходит без рывка (например, при движении по круговой орбите), то и энергия излучения равна нулю. Таким образом, постулат Нильса Бора о том, что ускоренный электрон на стационарных атомных орбитах не излучает, попросту не нужен, так как если на стационарной орбите он движется с ускорением, но без рывка, то никакого противоречия с классической физикой здесь нет! А вот при переходе с орбиты на орбиту неизбежно возникает рывок, который и порождает излучение.

В некоторых случаях может показаться, что отдельный электрон (или их совокупность) всё же излучает. Пример – обычная штыревая антенна. Где же здесь диполь? Оказывается, он есть, просто функцию второго плеча выполняет сама Земля, в которой формируется «виртуальное отражение» излучающей штыревой антенны. Похожая картина возникает и в магнетроне, где вроде бы движутся одиночные электроны. Однако вокруг электронов находятся проводящие стенки магнетрона, в которых точно так же возникают электростатические изображения, с которыми они и образуют диполи. Заметим, что все наблюдаемые случаи излучения движущимся зарядом происходят в тех или иных вещественных системах, которые в свою очередь состоят из огромного количества элементарных зарядов.

Со временем были открыты различные виды электромагнитных волн:

Радиоволны – с энергией, затухающей обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Синхротронное излучение, возникающее при движении заряженных частиц с релятивистской скоростью по криволинейной траектории. Причина этого излучения заключается в ограничении скорости движения любых объектов скоростью света. Аналогичную природу имеют тормозное излучение заряженной частицы, которое происходит при её рассеянии (торможении) в электрическом поле атомного ядра, и излучение Вавилова–Черенкова.

Аннигиляционный гамма-квант, получаемый в реакции превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния (позитрония) эта реакция даёт в конечном состоянии два гамма-кванта, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары, при этом рождаются в основном адроны.

Фотоны – частицы, излучаемые при квантовых переходах электронов в атомах с более высокого энергетического уровня на низкий и при синхротронном излучении.

Современная наука считает, что излучаемые атомами фотоны изначально имеют квантовую природу (то есть энергия излучается отдельными неделимыми порциями). Однако возможно и другое представление, а именно – что энергия излучения разбивается на порции (кванты) именно за счёт конечности времени перехода электрона в атоме с одной стационарной орбиты на другую. В этом случае фотоны и, скажем, импульсы, излучаемые радарами, принципиально ничем не отличаются.

Частица, отвечающая за взаимодействия во Вселенной

Слово «фотон» появилось в обиходе физиков в 1926 году, через 20 лет после теоретического предсказания существования этой частицы Альбертом Эйнштейном, который расширил идею Планка, предположив наличие «квантов света». Фотоны обладают строго определённой энергией, зависящей исключительно от частоты. Так что синие кванты имеют больше энергии, чем кванты красного света. Мощный источник излучения испускает много квантов, соответственно спектру его излучения, но энергия каждого из них остаётся той, которая соответствует его частоте. Эйнштейн объяснил, что, поскольку при фотоэффекте электрон выбивается одним квантом, фотоэлектрический эффект зависит от величины энергии (и, следовательно, от частоты) этого отдельного кванта, а не от мощности источника в целом. Именно объяснение природы фотоэффекта и его экспериментальное подтверждение, а не Общая теория относительности, принесло А. Эйнштейну Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Фотон – элементарная частица света, самая распространённая во Вселенной, с помощью которой материя обменивается энергией, её наименьший возможный пакет. Большая часть взаимодействий происходит исключительно благодаря фотонам. Фотоны повсюду!

Фотон – материальный объект, обладающий особыми свойствами. Он проявляет качества и волны, и частицы. Это объект локализованный и не делящийся на составные части. В настоящее время не обнаружено взаимодействие фотонов друг с другом, но экспериментально показано образование интерференционной картины при взаимодействии одиночного фотона с самим собой. Энергия фотона передаётся порциями (квантами) пропорционально его частоте, с коэффициентом, называемым постоянной Планка h. Также он обладает импульсом, что доказывается явлением давления света на вещество. Фотон постоянно движется со скоростью света и не имеет массы покоя, но обладает "динамической" массой, равной m_f = h∙𝒗/с². Всё вышесказанное позволяет рассматривать его и как частицу, а точнее как псевдочастицу.

Официальная наука объявляет фотон истинно нейтральной частицей. Однако при этом возможна смена направления и поляризации, что допустимо только под действием электрических полей, формируемых электронами и протонами среды из состава ядер.

Если рассматривать свет как поток частиц, а не волну, такие вещи, как фотоэффект, объяснялись очень хорошо, но как же быть с дифракцией? Ведь её можно было бы объяснить только в том случае, если бы свет был волной, а не частицей. Решение этого парадокса было найдено позже, в квантовой физике, в гипотезе о корпускулярно-волновом дуализме света.

Фотон в рамках Стандартной модели частиц является бозоном, имеет целочисленный спин, равный единице (более точно – спиральность). Согласно Стандартной модели, виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Более того, фотоны, являясь бозонами, могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, а это означает, что может быть много фотонов, «делающих одно и то же». Именно поэтому существует фотонный лазер, а электронный аналог построить невозможно.

Поскольку фотоны в любой системе отсчёта движутся со скоростью света, для них не существует времени. Согласно Теории относительности, локальное время, которое он испытает от момента испускания одним атомом до поглощения другим, даже если они будут удалены на сто миллионов световых лет друг от друга, будет равно 0 (то есть расстояние, которое фотон пролетит между двумя атомами, измеренное в его системе отсчёта, из-за релятивистского сокращения длины будет равно нулю!). Тем не менее частота фотона зависит от характеристик физического вакуума, в котором он находится, в частности от потенциала гравитационного поля. В зависимости от того, движется он по градиенту поля или против, возникает так называемое «гравитационное красное/синее смещение».

Согласно Эйнштейну, эквивалентность между массой и энергией означает, что если атом испускает фотон, то теряет некоторую массу, и наоборот. Некоторые кванты света имеют очень долгую жизнь, излучаемые звездой, живущей в космосе миллиарды лет. У других, инфракрасных фотонов, излучаемых вашим телом, жизнь очень короткая: около стомиллионной доли секунды им потребуется, чтобы достигнуть стены комнаты, в которой вы находитесь, и поглотиться её атомами.

Типичный фотон видимого света имеет энергию около 0,00000000000000001 Дж, что представляет собой чрезвычайно малую величину. Тем не менее человеческий глаз способен регистрировать даже одиночные фотоны.

Распространение электромагнитных волн и их переизлучение

Будучи излучённым, фотон движется со скоростью света, пока не достигнет атома вещества, который его поглотит. Поглощение может начаться ещё до того, как он будет полностью излучён, а может произойти и через миллионы лет на другом краю галактики.

При движении излучённый квант подвержен влиянию гравитации, но она влияет на него иначе, чем на частицы, имеющие массу покоя. А именно, как было сказано ранее, в потенциале гравитационного поля фотон немного меняет частоту и искривляет траекторию движения. Также фотон характеризуется поляризацией и спином (точнее – спиральностью).

Поскольку фотон всегда излучается и принимается целиком, имеется огромное количество оптических явлений, где лучи света распространяются как единое целое, а кванты в них постоянно меняются. Все явления отражения, прохождения через прозрачные среды, преломления в них основаны на том, что «входящий» фотон поглощается атомами вещества, а вместо него ими же испускается фотон той же частоты, но с другими характеристиками, например, имеющий иное направление движения. Все световые явления в материальных средах связаны с процессами переизлучения, на которые затрачивается дополнительное время. Поэтому скорость света в материальных средах ниже, чем в физическом вакууме, что заметно на примере сияния бриллиантов.

Эффект прохода одного фотона через две щели предлагаем толковать так: фотон прошёл через
одну щель, через вторую прошла вторичная волна, которую он инициировал. Наблюдать непосредственно за элементарными частицами сложно, так как своим наблюдением мы меняем их поведение. Недавно появилась ещё одна загадка – эксперимент квантового ластика с отложенным выбором, по сути, сильно усложнённый вариант эксперимента с двумя щелями.

Атом как излучающая антенна

Считается, что излучение и поглощение фотонов – чисто квантовые явления, которые невозможно описать классической физикой. Попытаемся всё же сделать такую попытку.

Примем за гипотезу, что переход электрона с одной стационарной орбиты на другую занимает конечное время, за которое и излучается квант синусоидальной электромагнитной волны. Тогда только за счёт конечности времени излучения её спектр будет не дельта-функцией (как у бесконечной по времени монохроматической волны), а некоторой гауссовой кривой, хотя и довольно острой. Ширины спектральных линий, излучаемых атомами, известны из спектрометрических измерений. Следовательно, по ним можно оценить время испускания одиночного фотона.

Фотон представляет собой сверхузконаправленную электромагнитную волну, а именно луч толщиной порядка длины волны излучения. Это элементарно следует из того, что мы видим свет, испущенный звёздами, удалёнными на миллиарды световых лет. Длина фотона также конечна и равняется скорости света, умноженной на время излучения. Это следует из существования «естественной ширины спектральных линий» света, излучаемого атомами вещества. По этой ширине можно определить, что, например, видимый свет излучается атомом за время, составляющее порядка 𝜏 = 10^-8с. А это в свою очередь свидетельствует о том, что передний фронт фотона отстоит от заднего фронта на расстоянии L=c∙𝜏. Расчёты показывают, что длина кванта для видимого света составляет порядка трёх метров.

Для других диапазонов электромагнитного спектра эта длина существенно разнится, при этом разница может составлять несколько порядков. Различие длин фотонов с одинаковой энергией особенно заметно на примере серии Лаймана ультрафиолетового диапазона в атоме водорода. Исходные данные для таблицы (время излучения фотонов) взяты из базы данных Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2023). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.11).

Получается, что квантовая частица микромира имеет макроразмер? Причём фотоны с одинаковой частотой (и, следовательно, энергией) могут по размеру отличаться в 100 раз! Официальная наука об этом не говорит! Так и не придя к общему мнению, учёные решили «спрятать голову в песок» от противоречий, и в «общепринятом», современном представлении фотон вообще не имеет размеров.

Фотоноплотность

Как показано в таблице, экспериментально зафиксированы фотоны одинаковой энергии, но с разной шириной спектральных линий, и, следовательно, они различаются временем излучения. Выходит, что такие частицы имеют разную плотность энергии. В современной физике элементарных частиц определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд, масса и спиральность. Но получается, что, используя общепринятые характеристики свойств фотонов, нельзя различить частицы света, имеющие одинаковую длину волны, но разную плотность энергии. Предлагается назвать эту характеристику фотоноплотностью.

В заключение можно сделать вывод, что используемая сейчас модель фотона, учитывающая только его энергию, является неполной. Учёт же фотоноплотности, возможно, найдёт практическое применение при передаче данных по оптическим каналам связи. Поскольку кванты света между собой не взаимодействуют, можно использовать один и тот же оптический канал для передачи одновременно фотонов разной плотности. Если научиться различать такие фотоны, то можно будет существенно увеличить скорость передачи информации по уже существующим каналам оптоволоконной связи.

Игорь ДАБАХОВ
член правления «Международного фонда технологий и инвестиций»

Игорь МИСЮЧЕНКО
к.т.н., руководитель инновационного отдела ОК «РУСАЛ» Владимир ВИКУЛИН,
инженер «Макро Групп»