Фотон. Главная частица нашей Вселенной

удивительный фотон

Сегодня мы поговорим о самой странной и недооценённой, на мой взгляд, элементарной частице. Это фотон.

Слово «фотон» появилось в обиходе физиков и лириков примерно через двадцать лет после теоретического предсказания существования этой частицы. Его (предсказание) представил свету в 1905 году Альберт Эйнштейн.

В конце 19 века уравнения Максвелла необычайно элегантным и общепонятным образом объясняли все явления электрического, магнитного и электромагнитного взаимодействия. Почти все.

Согласно уравнениям Максвелла, свет (в этой статье я буду использовать слово «свет» вместо «электромагнитное излучение») являлся волной. Это согласовывалось с различными предыдущими экспериментами, такими как существование интерференции и дифракции, продемонстрированное Юнгом и другими. Энергия, которую нёс, например, луч света, зависела от его интенсивности. То есть, если у Вас в левом кармане лежит фонарик со слабой лампочкой, а в правом ещё один с более мощной лампочкой, то поздравляю! У Вас есть два фонарика с лампочками! (Шутка). Это означает, что энергия света второго фонарика больше, чем первого. И это единственное, что определяет процессы, связанные со светом.

Однако были вещи, которые никак не складывались. И эти вещи привели, в итоге, к появлению квантовой физики. Но сегодня мы не будем говорить об этом, потому что это не это является сегодняшней нашей целью.

Кто открыл фотон?

Давайте сосредоточимся на конкретном эксперименте: фотоэлектрическом эффекте. В начале 20 века уже было известно, что если взять кусок определённого металла и посветить на него, то иногда свет выбивает электроны из этого металла. То есть свет порождает электричество. Отсюда и название эффекта, кстати.

Логично было бы предположить, что если Вы имеете приличный кусок подходящего металла, и посветите на него фонариком и увидите, что ничего не происходит, то попытаетесь добиться эффекта, добавив энергии. Просто нужен более мощный фонарик! Итак, в дело идёт армейский прожектор мощностью 40 кВт. Однако того, что кажется таким логичным, снова не происходит. И тот факт, что ничего не происходит, что какой бы мощной ни была лампочка, эффекта всё равно нет, вгонял физиков начала прошлого века в депрессивное состояние.

Учёные наблюдали то, что не могли объяснить: если металл освещается красным светом – фотоэффекта не происходит. И даже если мощность лампочки умножить на миллион, ни один электрон не выйдет из металла. Но если, например, работать с синей лапочкой, то какой бы слабой она ни была, электроны её свету не сопротивляются. Да, чем слабее лампочка, тем меньше электронов выходит. Но они выходят!

Эйнштейн дал очень изящное и простое объяснение этому явлению. Для этого он расширил идею Планка о квантовании энергии. Свет, по Эйнштейну, состоит из точечных частиц, называемых «квантами света». Эти частицы имеют определённую энергию, которая зависит исключительно от частоты света (чем выше частота, тем выше энергия каждого кванта). Так что кванты синего света имели больше энергии, чем кванты красного света. Когда лампочка очень мощная, это происходит потому, что она испускает много световых квантов. Но энергия каждого из них остаётся той, которая соответствует цвету. Следовательно, фотоэлектрический эффект зависит не от мощности лампочки, а от длины волны квантов света.

Красная лампочка не производит фотоэффекта потому, что кванту света просто не хватает энергии. Однако если фонарик излучает синий свет, он производит фотоэффект. Даже если фонарик светит не очень ярко, каждый из ярких квантов удаляет электрон. Хм. Вроде всё сходится.

Это объяснение «квантов света», написанное, кстати, в том же году, что и статья о броуновском движении, а также специальная теория относительности принесли Эйнштейну Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

В 1926 году для частицы было принято название «фотон», предложенное Гилбертом Н. Льюисом и происходящее от греческого «свет» в сочетании с окончанием -on, которое использовалось для электрона. Так что фотон – это «частица света».

терминатор красный глаз
Робот из будущего тщетно пытается добиться фотоэффекта. Из открытых источников.

Что-то здесь не так

Однако всё это вовсе не означало, что тут всё ясно. Поскольку если рассматривать свет как поток частиц, а не как волну, такие вещи, как фотоэффект, объяснялись очень хорошо… а как же тогда быть с дифракцией? Ведь её можно было бы объяснить только в том случае, если бы свет был волной, а не частицей. Так ведь? Решение этого парадокса было найдено позже, в квантовой физике и корпускулярно-волновом дуализме света. Но об этом мы поговорим в другой раз.

Фотон в рамках Стандартной модели частиц является бозоном. То есть имеет целочисленный спин (в случае фотона 1). А это означает, что он не является составной частью материи, а является переносчиком взаимодействий между частицами. Более того, фотоны, будучи 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 возможен фотонный лазер. А электронный лазер построить невозможно.

Кроме того, у фотона есть и другие характеристики, которые делают его очень интересным: у него нет электрического заряда, поэтому он не чувствует электромагнитной силы. У фотона нет массы, поэтому какое-то время считалось, что он не ощущает силу гравитации. Однако Общая теория относительности Эйнштейна изменила это положение. И сегодня мы знаем, что гравитация фотоном вполне себе ощущается.

Если у него нет ни заряда, ни массы, что на самом деле находится в фотоне? Если говорить упрощённо, то это энергия и набор определённых характеристик. Фотон несёт энергию, которая может быть передана атому, например, при столкновении с ним. Помните то ощущение, когда солнечный свет нагревает Ваше тело, лежащее на пляже? Это фотоны, достигающие Вас, заставляют Ваши атомы вибрировать быстрее, нагревая их.

Кроме того, у фотона есть импульс. То есть они способны толкать предметы. И это можно относительно легко проверить. В некоторых конструкциях космических кораблей, например, используются «солнечные паруса», толкаемые лазером.

Помимо того, что фотоны являются компонентами электромагнитного излучения (видимый свет, радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. д.), они ответственны и за электромагнитное взаимодействие. Согласно квантовой теории, всякий раз, когда две частицы взаимодействуют электрическим или магнитным образом, они обмениваются фотонами. Если у нас есть два заряда и они отталкиваются друг от друга, то делают они это не мгновенно. Фотоны, ответственные за отталкивание, должны перемещаться от одного заряда к другому со скоростью света.

Фотоны всегда движутся в вакууме со скоростью света. Это значит, что если бы Вы были фотоном (включите своё воображение), то Вселенная была бы для Вас очень и очень странной…

солнечные паруса
Солнечный парус. Из открытых источников.

Нет времени

Во-первых, для фотонов не существует времени. Субъективное 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. Расстояние, которое фотон пролетит между двумя атомами, измеренное в его системе отсчёта, из-за сокращения длины будет ровно…0.

Для стороннего наблюдателя фотон как бы «заморожен» на все время своего существования. Фотон не может испытать никаких изменений с момента своего испускания. Пока снова не исчезнет…

Еще один интересный эффект фотонов заключается в том, что несмотря на то, что они не имеют массы, они изменяют массу системы, которая их излучает или поглощает. Согласно Эйнштейну, эквивалентность между массой и энергией означает, что если Вы испускаете фотон, то теряете некоторую массу и наоборот. Конечно, эта потеря или прибавка в массе мизерная. В противном случае люди возвращались бы с моря сильно поправившимися. Если не откровенно толстыми (шутка).

Итак, фотон, самый известный бозон, является составной частью электромагнитного излучения и посредником электромагнитного взаимодействия. Некоторые фотоны имеют очень долгую жизнь (измеряемую «извне», конечно), например, те, которые излучаются звездой, живущей в космосе уже миллиарды лет. У других, например тех, которые излучает Ваше тело прямо сейчас (инфракрасные фотоны), жизнь очень короткая. Если стена комнаты, в которой вы находитесь, находится в паре метров от Вас, жизнь фотона будет длиться всего около 0.00000001 секунды. После чего он снова исчезнет.

кот на батарее
Кот получает свою порцию невидимых инфракрасных фотонов. Из открытых источников.

Добро и зло

Инфракрасные фотоны могут быть очень вредными. Если их будет очень много, они могут даже обжечь Вас. Тепло, которое Вы чувствуете на своих руках, грея их возле камина – это инфракрасные фотоны. Кот, который лежит зимой на чугунной батарее парового отопления тоже получает свою порцию инфракрасных фотонов.

Ультрафиолетовые фотоны гораздо опаснее. Каждый из них имеет столько энергии, что может запросто «разрушить» нуклеиновые кислоты в вашей ДНК, вызывая рак. Это одна из опасностей гамма-излучения (у которого даже больше энергии, чем у рентгеновских лучей, которые также могут вызывать рак).

Фотоны бывают долгоживущие или кратковременные, опасные или безобидные. Но большая часть взаимодействий во Вселенной происходит исключительно благодаря им. Все химические реакции – это результат электрических взаимодействий (т. е. обмена фотонами). Точно так же дело обстоит с силами, которые заставляют Вас ходить, с которыми Вы нажимаете на клавиши компьютера, с тем, что электроны движутся по проводам, с тем, что Вы можете дышать (химическая реакция), с тем, что Вы думаете… фотоны повсюду!

Однако, поскольку типичный фотон видимого света имеет энергию около 0,00000000000000001 Дж, мы никогда не осознаем, что они существуют на самом деле.

Понравилась статья? Поделитесь ей в социальных сетях! Огромное спасибо!
Живой Космос
Оставьте комментарий!