Как найти заряд фотона

Фотоны

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: фотоны, энергия фотона, импульс фотона.

В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии — фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями.

Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения — свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества — так происходит поглощение света.

Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому — наряду с электроном, протоном, нейтроном и некоторыми другими частицами — причислен к разряду элементарных частиц.

к оглавлению ▴

Энергия фотона

Выражение для энергии фотона с частотой мы уже знаем:

(1)

Часто бывает удобно работать не с обычной частотой , а с циклической частотой .

Тогда вводят другую постоянную Планка «аш с чертой»:

Дж · с.

Выражение (1) для энергии фотона примет вид:

Фотон движется в вакууме со скоростью света и потому является релятивистской частицей: описывая фотон, мы должны привлекать формулы теории относительности. А там имеется такая формула для энергии тела массы , движущегося со скоростью :

(2)

Если предположить, что , то формула (2) приводит к бессмысленному заключению: энергия фотона должна быть бесконечной. Чтобы избежать этого противоречия, остаётся признать, что масса фотона равна нулю. Формула (2) позволяет сделать и более общий вывод: только безмассовая частица может двигаться со скоростью света.

к оглавлению ▴

Импульс фотона

Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом. Действительно, важнейшая формула теории относительности даёт связь энергии и импульса частицы:

(3)

Для фотона, имеющего нулевую массу, эта формула сводится к простому соотношению:

Отсюда для импульса фотона получаем:

(4)

Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.

Учитывая, что отношение есть длина волны , формулу (4) можно переписать так:

(5)

В видимом диапазоне наименьшими значениями энергии и импульса обладают фотоны красного света — у них самая маленькая частота (и самая большая длина волны). При движении в сторону фиолетового участка спектра энергия и импульс фотона линейно возрастают с частотой.

к оглавлению ▴

Давление света

Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Такой вывод был сделан Максвеллом из теоретических соображений и получил экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах П.Н. Лебедева. Если понимать
свет как поток фотонов, обладающих импульсом , то можно легко объяснить давление света и вывести формулу Максвелла.

Предположим, что на некоторое тело падает свет частоты . Лучи направлены перпендикулярно поверхности тела; площадь освещаемой поверхности равна (рис. 1).

Рич. 1. Давление света

Пусть — концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма.

За время на нашу поверхность попадают фотоны, находящиеся внутри цилиндра высотой .

Их число равно:

При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается. Пусть — коэффициент отражения света; величина показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина — это доля падающей энергии, поглощаемая телом.

Как мы теперь знаем, энергия света пропорциональна числу фотонов. Поэтому можно написать, какое количество фотонов (из общего числа ) отразится от поверхности, а какое — поглотится ею:

Импульс каждого падающего фотона равен . Поглощённый фотон испытывает неупругое столкновение с телом и передаёт ему импульс . Отражённый фотон после упругого столкновения меняет направление своего импульса на противоположное, и поэтому импульс, переданный телу отражённым фотоном, равен .

Таким образом, от каждого фотона, входящего в световой поток, тело получает некоторый импульс. Вот простая и очевидная причина того, что свет оказывает давление на освещаемую поверхность.

Суммарный импульс, полученный телом от падающих фотонов, равен:

На нашу поверхность действует сила , равная импульсу, полученному телом в единицу времени:

Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:

(6)

Выражение имеет простой физический смысл: будучи произведением энергии фотона на число фотонов в единице объёма, оно равно энергии света в единице объёма, то есть объёмной плотности энергии . Тогда соотношение (6) приобретает вид:

Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.

к оглавлению ▴

Двойственная природа света

В результате рассмотрения всей совокупности оптических явлений возникает естественный вопрос: что же такое свет? Непрерывно распределённая в пространстве электромагнитная волна или поток отдельных частиц — фотонов? Теория и эксперименты приводят к заключению, что оба ответа должны быть утвердительными.

1. Явления интерференции и дифракции света, характерные для любых волновых процессов, не оставляют сомнений в том, что свет есть форма волнового движения материи.

Таким образом, мы должны признать: да, свет имеет волновую природу, свет — это электромагнитная волна.

2. Однако явления взаимодействия света и вещества (например, фотоэффект) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Эти частицы — фотоны — ведут, так сказать, самостоятельный образ жизни, обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Излучение света — это рождение фотонов.

Распространение света — это движение фотонов в пространстве. Отражение и поглощение света — это соответственно упругие и неупругие столковения фотонов с частицами вещества.

Все попытки истолковать указанные явления излучения и поглощения света в рамках волновых представлений классической физики окончились неудачей. Оставалось лишь согласиться с тем, что свет имеет корпускулярную природу (от латинского слова corpusculum — маленькое тельце, частица), свет — это совокупность фотонов, мчащихся в пространстве.

Таким образом, свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу — он может проявлять себя то так, то эдак. В одних явлениях (интерференция, дифракция) на передний план выходит волновая природа, и свет ведёт себя в точности как волна. Но в других явлениях (фотоэффект) доминирует корпускулярная природа, и свет ведёт себя подобно потоку частиц.

Странно всё это, не правда ли? Но что поделать — так устроена природа. Мы, люди, живём среди макроскопических тел, и наше воображение оказалось не способным полноценно представить себе явления микромира.
Природа, однако, неизмеримо шире и богаче того, что может вместить в себя человеческое воображение. Признав это и руководствуясь не столько собственным воображением, сколько наблюдениями, результатами экспериментов и весьма изощрённой математикой, люди начали успешно создавать квантовую теорию микроскопических явлений и процессов.

О некоторых парадоксальных на первый взгляд — но тем не менее подтверждённых экспериментально! — выводах квантовой теории мы поговорим в следующем листке.

Фотон

Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).

В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.

Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).

Формулы фотона

Эти формулы являются наиболее важными.

Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)

Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний

E = h×v

Где:

• E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц).

Масса фотона

m = hv/c² = h/cλ

Где:

• m — масса фотона (в кг),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• λ — длина световой волны (в метрах).

Примечание:

Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).

Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).

Импульс фотона

p = hv/c = h/λ

Где:

• p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• λ — длина световой волны (в метрах).

Длина волны света, период и частота

Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.

λ = cT = c/v

Где:

• λ — длина световой волны (в метрах),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• T — период световых колебаний (в секундах),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц).

Пример решения задачи с данными формулами

Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.

Известно:

λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м

Решение:

Формула энергии фотонов: E = h×v

Где:

h — постоянная Планка,

v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.

Таким образом, составляем равенство:

E = h × (с/λ) = hc / λ

Вспоминаем другие данные:

c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)

h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)

E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж

Фотон является волной?

Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.

Так он доказал, что:

• свет — это поток фотонов,
• энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
• интенсивность света соответствует количеству фотонов.

Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.

Узнайте также про:

• Нейтрино
• Теорию относительности
• Магнитную индукцию
• Полимер
• Теорию струн

This article is about the elementary particle or quantum of light. For other uses, see Photon (disambiguation).

Photon

Photons are emitted by a cyan laser beam outside, orange laser beam inside calcite and its fluorescence
Composition	Elementary particle
Statistics	Bosonic
Family	Gauge boson
Interactions	Electromagnetic, weak (and gravity)
Symbol	γ
Theorized	Albert Einstein (1905) The name «photon» is generally attributed to Gilbert N. Lewis (1926)
Mass	0 (theoretical value) < 1×10−18 eV/c2 (experimental limit)[1]
Mean lifetime	Stable[1]
Electric charge	0 < 1×10−35 e[1]
Color charge	0
Spin	1
Spin states	+1 ℏ,  −1 ℏ
Parity	−1[1]
C parity	−1[1]
Condensed	I(JP C)=0,1(1−−)[1]

A photon (from Ancient Greek φῶς, φωτός (phôs, phōtós) ‘light’) is an elementary particle that is a quantum of the electromagnetic field, including electromagnetic radiation such as light and radio waves, and the force carrier for the electromagnetic force. Photons are massless,^[a] so they always move at the speed of light in vacuum, 299792458 m/s (or about 186,282 mi/s). The photon belongs to the class of boson particles.

As with other elementary particles, photons are best explained by quantum mechanics and exhibit wave–particle duality, their behavior featuring properties of both waves and particles.^[2] The modern photon concept originated during the first two decades of the 20th century with the work of Albert Einstein, who built upon the research of Max Planck. While trying to explain how matter and electromagnetic radiation could be in thermal equilibrium with one another, Planck proposed that the energy stored within a material object should be regarded as composed of an integer number of discrete, equal-sized parts. To explain the photoelectric effect, Einstein introduced the idea that light itself is made of discrete units of energy. In 1926, Gilbert N. Lewis popularized the term photon for these energy units.^[3][4][5] Subsequently, many other experiments validated Einstein’s approach.^[6][7][8]

In the Standard Model of particle physics, photons and other elementary particles are described as a necessary consequence of physical laws having a certain symmetry at every point in spacetime. The intrinsic properties of particles, such as charge, mass, and spin, are determined by gauge symmetry. The photon concept has led to momentous advances in experimental and theoretical physics, including lasers, Bose–Einstein condensation, quantum field theory, and the probabilistic interpretation of quantum mechanics. It has been applied to photochemistry, high-resolution microscopy, and measurements of molecular distances. Moreover, photons have been studied as elements of quantum computers, and for applications in optical imaging and optical communication such as quantum cryptography.

Nomenclature[edit]

The word quanta (singular quantum, Latin for how much) was used before 1900 to mean particles or amounts of different quantities, including electricity. In 1900, the German physicist Max Planck was studying black-body radiation, and he suggested that the experimental observations, specifically at shorter wavelengths, would be explained if the energy stored within a molecule was a «discrete quantity composed of an integral number of finite equal parts», which he called «energy elements».^[9] In 1905, Albert Einstein published a paper in which he proposed that many light-related phenomena—including black-body radiation and the photoelectric effect—would be better explained by modelling electromagnetic waves as consisting of spatially localized, discrete wave-packets.^[10] He called such a wave-packet a light quantum (German: ein Lichtquant).^[b]

The name photon derives from the Greek word for light, φῶς (transliterated phôs). Arthur Compton used photon in 1928, referring to G.N. Lewis, who coined the term in a letter to Nature on 18 December 1926.^[3][11] The same name was used earlier but was never widely adopted before Lewis: in 1916 by the American physicist and psychologist Leonard T. Troland, in 1921 by the Irish physicist Joly, in 1924 by the French physiologist René Wurmser (1890–1993), and in 1926 by the French physicist Frithiof Wolfers (1891–1971).^[5] The name was suggested initially as a unit related to the illumination of the eye and the resulting sensation of light and was used later in a physiological context. Although Wolfers’s and Lewis’s theories were contradicted by many experiments and never accepted, the new name was adopted by most physicists very soon after Compton used it.^[5][c]

In physics, a photon is usually denoted by the symbol γ (the Greek letter gamma). This symbol for the photon probably derives from gamma rays, which were discovered in 1900 by Paul Villard,^[13][14] named by Ernest Rutherford in 1903, and shown to be a form of electromagnetic radiation in 1914 by Rutherford and Edward Andrade.^[15] In chemistry and optical engineering, photons are usually symbolized by hν, which is the photon energy, where h is the Planck constant and the Greek letter ν (nu) is the photon’s frequency.^[16]

Physical properties[edit]

A photon is massless,^[d] has no electric charge,^[18][19] and is a stable particle. In a vacuum, a photon has three possible polarization states.^[20][e] The photon is the gauge boson for electromagnetism,^{[21]: 29–30} and therefore all other quantum numbers of the photon (such as lepton number, baryon number, and flavour quantum numbers) are zero.^[22] Also, the photon obeys Bose–Einstein statistics, and not Fermi-Dirac statistics. That is, they do not obey the Pauli exclusion principle^[23]: 1221 and more than one can occupy the same bound quantum state.

Photons are emitted in many natural processes. For example, when a charge is accelerated it emits synchrotron radiation. During a molecular, atomic or nuclear transition to a lower energy level, photons of various energy will be emitted, ranging from radio waves to gamma rays. Photons can also be emitted when a particle and its corresponding antiparticle are annihilated (for example, electron–positron annihilation).^{[23]: 572, 1114, 1172}

Relativistic energy and momentum[edit]

In empty space, the photon moves at c (the speed of light) and its energy and momentum are related by E = pc, where p is the magnitude of the momentum vector p. This derives from the following relativistic relation, with m = 0:^[24]

The energy and momentum of a photon depend only on its frequency () or inversely, its wavelength (λ):

where k is the wave vector, where

• k ≡ |k| =  2π /λ   is the wave number, and
• ω ≡ 2 πν   is the angular frequency, and
• ħ ≡ h/ 2π    is the reduced Planck constant.^[25]

Since ‘p’ points in the direction of the photon’s propagation, the magnitude of its momentum is

Polarization and angular momentum[edit]

The photon also carries two other quantities called spin angular momentum (which is related to linear or circular photon polarization) and orbital angular momentum.

Spin angular momentum[edit]

The spin angular momentum of light does not depend on its frequency, and was experimentally verified by C.V. Raman and S. Bhagavantam in 1931.^[26]

Because photons always move at the speed of light, the spin is best expressed in terms of the component measured along its direction of motion, its helicity, which must be either +ħ or −ħ.^[e]
These two possible helicities, called right-handed and left-handed, correspond to the two possible circular polarization states of the photon.^[27]

To illustrate the significance of these formulae, the annihilation of a particle with its antiparticle in free space must result in the creation of at least two photons for the following reason:
In the center of momentum frame, the colliding antiparticles have no net momentum, whereas a single photon always has momentum (since, as we have seen, it is determined by the photon’s frequency or wavelength, which cannot be zero). Hence, conservation of momentum (or equivalently, translational invariance) requires that at least two photons are created, with zero net momentum.^{[f][28]: 64–65} The energy of the two photons, or, equivalently, their frequency, may be determined from conservation of four-momentum.

Seen another way, the photon can be considered as its own antiparticle (thus an «antiphoton» is simply a normal photon with opposite momentum, equal polarization, and 180° out of phase). The reverse process, pair production, is the dominant mechanism by which high-energy photons such as gamma rays lose energy while passing through matter.^[29] That process is the reverse of «annihilation to one photon» allowed in the electric field of an atomic nucleus.

The classical formulae for the energy and momentum of electromagnetic radiation can be re-expressed in terms of photon events. For example, the pressure of electromagnetic radiation on an object derives from the transfer of photon momentum per unit time and unit area to that object, since pressure is force per unit area and force is the change in momentum per unit time.^[30]

Orbital angular momentum[edit]

Each photon carries two distinct and independent forms of angular momentum: spin and orbital angular momentum. As discussed above, the spin angular momentum of light of a particular photon is always either +ħ, 0, or −ħ.^[e] In contrast, the light orbital angular momentum of a particular photon can be any integer N, including zero.^[31]

Experimental checks on photon mass[edit]

Current commonly accepted physical theories imply or assume the photon to be strictly massless. If the photon is not a strictly massless particle, it would not move at the exact speed of light, c, in vacuum. Its speed would be lower and depend on its frequency. Relativity would be unaffected by this; the so-called speed of light, c, would then not be the actual speed at which light moves, but a constant of nature which is the upper bound on speed that any object could theoretically attain in spacetime.^[32] Thus, it would still be the speed of spacetime ripples (gravitational waves and gravitons), but it would not be the speed of photons.

If a photon did have non-zero mass, there would be other effects as well. Coulomb’s law would be modified and the electromagnetic field would have an extra physical degree of freedom. These effects yield more sensitive experimental probes of the photon mass than the frequency dependence of the speed of light. If Coulomb’s law is not exactly valid, then that would allow the presence of an electric field to exist within a hollow conductor when it is subjected to an external electric field. This provides a means for very-high-precision tests of Coulomb’s law.^[33] A null result of such an experiment has set a limit of m ≲ 10⁻¹⁴ eV/c².^[34]

Sharper upper limits on the mass of light have been obtained in experiments designed to detect effects caused by the galactic vector potential. Although the galactic vector potential is very large because the galactic magnetic field exists on very great length scales, only the magnetic field would be observable if the photon is massless. In the case that the photon has mass, the mass term 1/2m²A_μA^μ would affect the galactic plasma. The fact that no such effects are seen implies an upper bound on the photon mass of m < 3×10⁻²⁷ eV/c².^[35] The galactic vector potential can also be probed directly by measuring the torque exerted on a magnetized ring.^[36] Such methods were used to obtain the sharper upper limit of 1.07×10⁻²⁷ eV/c² (the equivalent of 10⁻³⁶ daltons) given by the Particle Data Group.^[37]

These sharp limits from the non-observation of the effects caused by the galactic vector potential have been shown to be model-dependent.^[38] If the photon mass is generated via the Higgs mechanism then the upper limit of m ≲ 10⁻¹⁴ eV/c² from the test of Coulomb’s law is valid.

Historical development[edit]

In most theories up to the eighteenth century, light was pictured as being made up of particles. Since particle models cannot easily account for the refraction, diffraction and birefringence of light, wave theories of light were proposed by René Descartes (1637),^[39] Robert Hooke (1665),^[40] and Christiaan Huygens (1678);^[41] however, particle models remained dominant, chiefly due to the influence of Isaac Newton.^[42] In the early 19th century, Thomas Young and August Fresnel clearly demonstrated the interference and diffraction of light, and by 1850 wave models were generally accepted.^[43] James Clerk Maxwell’s 1865 prediction^[44] that light was an electromagnetic wave – which was confirmed experimentally in 1888 by Heinrich Hertz’s detection of radio waves^[45] – seemed to be the final blow to particle models of light.

The Maxwell wave theory, however, does not account for all properties of light. The Maxwell theory predicts that the energy of a light wave depends only on its intensity, not on its frequency; nevertheless, several independent types of experiments show that the energy imparted by light to atoms depends only on the light’s frequency, not on its intensity. For example, some chemical reactions are provoked only by light of frequency higher than a certain threshold; light of frequency lower than the threshold, no matter how intense, does not initiate the reaction. Similarly, electrons can be ejected from a metal plate by shining light of sufficiently high frequency on it (the photoelectric effect); the energy of the ejected electron is related only to the light’s frequency, not to its intensity.^[46][g]

At the same time, investigations of black-body radiation carried out over four decades (1860–1900) by various researchers^[48] culminated in Max Planck’s hypothesis^[49][50] that the energy of any system that absorbs or emits electromagnetic radiation of frequency ν is an integer multiple of an energy quantum E = hν . As shown by Albert Einstein,^[10][51] some form of energy quantization must be assumed to account for the thermal equilibrium observed between matter and electromagnetic radiation; for this explanation of the photoelectric effect, Einstein received the 1921 Nobel Prize in physics.^[52]

Since the Maxwell theory of light allows for all possible energies of electromagnetic radiation, most physicists assumed initially that the energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbs or emits the radiation. In 1905, Einstein was the first to propose that energy quantization was a property of electromagnetic radiation itself.^[10] Although he accepted the validity of Maxwell’s theory, Einstein pointed out that many anomalous experiments could be explained if the energy of a Maxwellian light wave were localized into point-like quanta that move independently of one another, even if the wave itself is spread continuously over space.^[10] In 1909^[51] and 1916,^[53] Einstein showed that, if Planck’s law regarding black-body radiation is accepted, the energy quanta must also carry momentum p =  h / λ  , making them full-fledged particles. This photon momentum was observed experimentally by Arthur Compton,^[54] for which he received the Nobel Prize in 1927. The pivotal question then, was how to unify Maxwell’s wave theory of light with its experimentally observed particle nature? The answer to this question occupied Albert Einstein for the rest of his life,^[55] and was solved in quantum electrodynamics and its successor, the Standard Model. (See § Quantum field theory and § As a gauge boson, below.)

Einstein’s 1905 predictions were verified experimentally in several ways in the first two decades of the 20th century, as recounted in Robert Millikan’s Nobel lecture.^[56] However, before Compton’s experiment^[54] showed that photons carried momentum proportional to their wave number (1922),^{[full citation needed]} most physicists were reluctant to believe that electromagnetic radiation itself might be particulate. (See, for example, the Nobel lectures of Wien,^[48] Planck^[50] and Millikan.)^[56] Instead, there was a widespread belief that energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbed or emitted radiation. Attitudes changed over time. In part, the change can be traced to experiments such as those revealing Compton scattering, where it was much more difficult not to ascribe quantization to light itself to explain the observed results.^[57]

Even after Compton’s experiment, Niels Bohr, Hendrik Kramers and John Slater made one last attempt to preserve the Maxwellian continuous electromagnetic field model of light, the so-called BKS theory.^[58] An important feature of the BKS theory is how it treated the conservation of energy and the conservation of momentum. In the BKS theory, energy and momentum are only conserved on the average across many interactions between matter and radiation. However, refined Compton experiments showed that the conservation laws hold for individual interactions.^[59] Accordingly, Bohr and his co-workers gave their model «as honorable a funeral as possible».^[55] Nevertheless, the failures of the BKS model inspired Werner Heisenberg in his development of matrix mechanics.^[60]

A few physicists persisted^[61] in developing semiclassical models in which electromagnetic radiation is not quantized, but matter appears to obey the laws of quantum mechanics. Although the evidence from chemical and physical experiments for the existence of photons was overwhelming by the 1970s, this evidence could not be considered as absolutely definitive; since it relied on the interaction of light with matter, and a sufficiently complete theory of matter could in principle account for the evidence. Nevertheless, all semiclassical theories were refuted definitively in the 1970s and 1980s by photon-correlation experiments.^[h]
Hence, Einstein’s hypothesis that quantization is a property of light itself is considered to be proven.

Wave–particle duality and uncertainty principles[edit]

Photons obey the laws of quantum mechanics, and so their behavior has both wave-like and particle-like aspects. When a photon is detected by a measuring instrument, it is registered as a single, particulate unit. However, the probability of detecting a photon is calculated by equations that describe waves. This combination of aspects is known as wave–particle duality. For example, the probability distribution for the location at which a photon might be detected displays clearly wave-like phenomena such as diffraction and interference. A single photon passing through a double slit has its energy received at a point on the screen with a probability distribution given by its interference pattern determined by Maxwell’s wave equations.^[64] However, experiments confirm that the photon is not a short pulse of electromagnetic radiation; a photon’s Maxwell waves will diffract, but photon energy does not spread out as it propagates, nor does this energy divide when it encounters a beam splitter.^[65] Rather, the received photon acts like a point-like particle since it is absorbed or emitted as a whole by arbitrarily small systems, including systems much smaller than its wavelength, such as an atomic nucleus (≈10⁻¹⁵ m across) or even the point-like electron.

While many introductory texts treat photons using the mathematical techniques of non-relativistic quantum mechanics, this is in some ways an awkward oversimplification, as photons are by nature intrinsically relativistic. Because photons have zero rest mass, no wave function defined for a photon can have all the properties familiar from wave functions in non-relativistic quantum mechanics.^[i] In order to avoid these difficulties, physicists employ the second-quantized theory of photons described below, quantum electrodynamics, in which photons are quantized excitations of electromagnetic modes.^[70]

Another difficulty is finding the proper analogue for the uncertainty principle, an idea frequently attributed to Heisenberg, who introduced the concept in analyzing a thought experiment involving an electron and a high-energy photon. However, Heisenberg did not give precise mathematical definitions of what the «uncertainty» in these measurements meant. The precise mathematical statement of the position–momentum uncertainty principle is due to Kennard, Pauli, and Weyl.^[71][72] The uncertainty principle applies to situations where an experimenter has a choice of measuring either one of two «canonically conjugate» quantities, like the position and the momentum of a particle. According to the uncertainty principle, no matter how the particle is prepared, it is not possible to make a precise prediction for both of the two alternative measurements: if the outcome of the position measurement is made more certain, the outcome of the momentum measurement becomes less so, and vice versa.^[73] A coherent state minimizes the overall uncertainty as far as quantum mechanics allows.^[70] Quantum optics makes use of coherent states for modes of the electromagnetic field. There is a tradeoff, reminiscent of the position–momentum uncertainty relation, between measurements of an electromagnetic wave’s amplitude and its phase.^[70] This is sometimes informally expressed in terms of the uncertainty in the number of photons present in the electromagnetic wave, , and the uncertainty in the phase of the wave, . However, this cannot be an uncertainty relation of the Kennard–Pauli–Weyl type, since unlike position and momentum, the phase cannot be represented by a Hermitian operator.^[74]

Bose–Einstein model of a photon gas[edit]

In 1924, Satyendra Nath Bose derived Planck’s law of black-body radiation without using any electromagnetism, but rather by using a modification of coarse-grained counting of phase space.^[75] Einstein showed that this modification is equivalent to assuming that photons are rigorously identical and that it implied a «mysterious non-local interaction»,^[76][77] now understood as the requirement for a symmetric quantum mechanical state. This work led to the concept of coherent states and the development of the laser. In the same papers, Einstein extended Bose’s formalism to material particles (bosons) and predicted that they would condense into their lowest quantum state at low enough temperatures; this Bose–Einstein condensation was observed experimentally in 1995.^[78] It was later used by Lene Hau to slow, and then completely stop, light in 1999^[79] and 2001.^[80]

The modern view on this is that photons are, by virtue of their integer spin, bosons (as opposed to fermions with half-integer spin). By the spin-statistics theorem, all bosons obey Bose–Einstein statistics (whereas all fermions obey Fermi–Dirac statistics).^[81]

Stimulated and spontaneous emission[edit]

In 1916, Albert Einstein showed that Planck’s radiation law could be derived from a semi-classical, statistical treatment of photons and atoms, which implies a link between the rates at which atoms emit and absorb photons. The condition follows from the assumption that functions of the emission and absorption of radiation by the atoms are independent of each other, and that thermal equilibrium is made by way of the radiation’s interaction with the atoms. Consider a cavity in thermal equilibrium with all parts of itself and filled with electromagnetic radiation and that the atoms can emit and absorb that radiation. Thermal equilibrium requires that the energy density of photons with frequency (which is proportional to their number density) is, on average, constant in time; hence, the rate at which photons of any particular frequency are emitted must equal the rate at which they are absorbed.^[82]

Einstein began by postulating simple proportionality relations for the different reaction rates involved. In his model, the rate for a system to absorb a photon of frequency and transition from a lower energy to a higher energy is proportional to the number of atoms with energy and to the energy density of ambient photons of that frequency,

where is the rate constant for absorption. For the reverse process, there are two possibilities: spontaneous emission of a photon, or the emission of a photon initiated by the interaction of the atom with a passing photon and the return of the atom to the lower-energy state. Following Einstein’s approach, the corresponding rate for the emission of photons of frequency and transition from a higher energy to a lower energy is

where is the rate constant for emitting a photon spontaneously, and is the rate constant for emissions in response to ambient photons (induced or stimulated emission). In thermodynamic equilibrium, the number of atoms in state and those in state must, on average, be constant; hence, the rates and must be equal. Also, by arguments analogous to the derivation of Boltzmann statistics, the ratio of and is where and are the degeneracy of the state and that of , respectively, and their energies, the Boltzmann constant and the system’s temperature. From this, it is readily derived that
and

The and are collectively known as the Einstein coefficients.^[83]

Einstein could not fully justify his rate equations, but claimed that it should be possible to calculate the coefficients , and once physicists had obtained «mechanics and electrodynamics modified to accommodate the quantum hypothesis».^[84] Not long thereafter, in 1926, Paul Dirac derived the rate constants by using a semiclassical approach,^[85] and, in 1927, succeeded in deriving all the rate constants from first principles within the framework of quantum theory.^[86][87] Dirac’s work was the foundation of quantum electrodynamics, i.e., the quantization of the electromagnetic field itself. Dirac’s approach is also called second quantization or quantum field theory;^[88][89][90] earlier quantum mechanical treatments only treat material particles as quantum mechanical, not the electromagnetic field.

Einstein was troubled by the fact that his theory seemed incomplete, since it did not determine the direction of a spontaneously emitted photon. A probabilistic nature of light-particle motion was first considered by Newton in his treatment of birefringence and, more generally, of the splitting of light beams at interfaces into a transmitted beam and a reflected beam. Newton hypothesized that hidden variables in the light particle determined which of the two paths a single photon would take.^[42] Similarly, Einstein hoped for a more complete theory that would leave nothing to chance, beginning his separation^[55] from quantum mechanics. Ironically, Max Born’s probabilistic interpretation of the wave function^[91][92] was inspired by Einstein’s later work searching for a more complete theory.^[93]

Quantum field theory[edit]

Quantization of the electromagnetic field[edit]

In 1910, Peter Debye derived Planck’s law of black-body radiation from a relatively simple assumption.^[94] He decomposed the electromagnetic field in a cavity into its Fourier modes, and assumed that the energy in any mode was an integer multiple of , where is the frequency of the electromagnetic mode. Planck’s law of black-body radiation follows immediately as a geometric sum. However, Debye’s approach failed to give the correct formula for the energy fluctuations of black-body radiation, which were derived by Einstein in 1909.^[51]

In 1925, Born, Heisenberg and Jordan reinterpreted Debye’s concept in a key way.^[95] As may be shown classically, the Fourier modes of the electromagnetic field—a complete set of electromagnetic plane waves indexed by their wave vector k and polarization state—are equivalent to a set of uncoupled simple harmonic oscillators. Treated quantum mechanically, the energy levels of such oscillators are known to be , where is the oscillator frequency. The key new step was to identify an electromagnetic mode with energy as a state with photons, each of energy . This approach gives the correct energy fluctuation formula.

Dirac took this one step further.^[86][87] He treated the interaction between a charge and an electromagnetic field as a small perturbation that induces transitions in the photon states, changing the numbers of photons in the modes, while conserving energy and momentum overall. Dirac was able to derive Einstein’s and coefficients from first principles, and showed that the Bose–Einstein statistics of photons is a natural consequence of quantizing the electromagnetic field correctly (Bose’s reasoning went in the opposite direction; he derived Planck’s law of black-body radiation by assuming B–E statistics). In Dirac’s time, it was not yet known that all bosons, including photons, must obey Bose–Einstein statistics.

Dirac’s second-order perturbation theory can involve virtual photons, transient intermediate states of the electromagnetic field; the static electric and magnetic interactions are mediated by such virtual photons. In such quantum field theories, the probability amplitude of observable events is calculated by summing over all possible intermediate steps, even ones that are unphysical; hence, virtual photons are not constrained to satisfy , and may have extra polarization states; depending on the gauge used, virtual photons may have three or four polarization states, instead of the two states of real photons. Although these transient virtual photons can never be observed, they contribute measurably to the probabilities of observable events.^[96]
Indeed, such second-order and higher-order perturbation calculations can give apparently infinite contributions to the sum. Such unphysical results are corrected for using the technique of renormalization.^[97]

Other virtual particles may contribute to the summation as well; for example, two photons may interact indirectly through virtual electron–positron pairs.^[98] Such photon–photon scattering (see two-photon physics), as well as electron–photon scattering, is meant to be one of the modes of operations of the planned particle accelerator, the International Linear Collider.^[99]

In modern physics notation, the quantum state of the electromagnetic field is written as a Fock state, a tensor product of the states for each electromagnetic mode

where represents the state in which photons are in the mode . In this notation, the creation of a new photon in mode (e.g., emitted from an atomic transition) is written as . This notation merely expresses the concept of Born, Heisenberg and Jordan described above, and does not add any physics.

As a gauge boson[edit]

The electromagnetic field can be understood as a gauge field, i.e., as a field that results from requiring that a gauge symmetry holds independently at every position in spacetime.^[100] For the electromagnetic field, this gauge symmetry is the Abelian U(1) symmetry of complex numbers of absolute value 1, which reflects the ability to vary the phase of a complex field without affecting observables or real valued functions made from it, such as the energy or the Lagrangian.

The quanta of an Abelian gauge field must be massless, uncharged bosons, as long as the symmetry is not broken; hence, the photon is predicted to be massless, and to have zero electric charge and integer spin. The particular form of the electromagnetic interaction specifies that the photon must have spin ±1; thus, its helicity must be . These two spin components correspond to the classical concepts of right-handed and left-handed circularly polarized light. However, the transient virtual photons of quantum electrodynamics may also adopt unphysical polarization states.^[100]

In the prevailing Standard Model of physics, the photon is one of four gauge bosons in the electroweak interaction; the other three are denoted W⁺, W⁻ and Z⁰ and are responsible for the weak interaction. Unlike the photon, these gauge bosons have mass, owing to a mechanism that breaks their SU(2) gauge symmetry. The unification of the photon with W and Z gauge bosons in the electroweak interaction was accomplished by Sheldon Glashow, Abdus Salam and Steven Weinberg, for which they were awarded the 1979 Nobel Prize in physics.^{[101][102][103]} Physicists continue to hypothesize grand unified theories that connect these four gauge bosons with the eight gluon gauge bosons of quantum chromodynamics; however, key predictions of these theories, such as proton decay, have not been observed experimentally.^[104]

Hadronic properties[edit]

Measurements of the interaction between energetic photons and hadrons show that the interaction is much more intense than expected by the interaction of merely photons with the hadron’s electric charge. Furthermore, the interaction of energetic photons with protons is similar to the interaction of photons with neutrons^[105] in spite of the fact that the electric charge structures of protons and neutrons are substantially different. A theory called Vector Meson Dominance (VMD) was developed to explain this effect. According to VMD, the photon is a superposition of the pure electromagnetic photon which interacts only with electric charges and vector mesons.^[106] However, if experimentally probed at very short distances, the intrinsic structure of the photon is recognized as a flux of quark and gluon components, quasi-free according to asymptotic freedom in QCD and described by the photon structure function.^[107][108] A comprehensive comparison of data with theoretical predictions was presented in a review in 2000.^[109]

Contributions to the mass of a system[edit]

The energy of a system that emits a photon is decreased by the energy of the photon as measured in the rest frame of the emitting system, which may result in a reduction in mass in the amount . Similarly, the mass of a system that absorbs a photon is increased by a corresponding amount. As an application, the energy balance of nuclear reactions involving photons is commonly written in terms of the masses of the nuclei involved, and terms of the form for the gamma photons (and for other relevant energies, such as the recoil energy of nuclei).^[110]

This concept is applied in key predictions of quantum electrodynamics (QED, see above). In that theory, the mass of electrons (or, more generally, leptons) is modified by including the mass contributions of virtual photons, in a technique known as renormalization. Such «radiative corrections» contribute to a number of predictions of QED, such as the magnetic dipole moment of leptons, the Lamb shift, and the hyperfine structure of bound lepton pairs, such as muonium and positronium.^[111]

Since photons contribute to the stress–energy tensor, they exert a gravitational attraction on other objects, according to the theory of general relativity. Conversely, photons are themselves affected by gravity; their normally straight trajectories may be bent by warped spacetime, as in gravitational lensing, and their frequencies may be lowered by moving to a higher gravitational potential, as in the Pound–Rebka experiment. However, these effects are not specific to photons; exactly the same effects would be predicted for classical electromagnetic waves.^[112]

In matter[edit]

Light that travels through transparent matter does so at a lower speed than c, the speed of light in vacuum. The factor by which the speed is decreased is called the refractive index of the material. In a classical wave picture, the slowing can be explained by the light inducing electric polarization in the matter, the polarized matter radiating new light, and that new light interfering with the original light wave to form a delayed wave. In a particle picture, the slowing can instead be described as a blending of the photon with quantum excitations of the matter to produce quasi-particles known as polariton (see this list for some other quasi-particles); this polariton has a nonzero effective mass, which means that it cannot travel at c. Light of different frequencies may travel through matter at different speeds; this is called dispersion (not to be confused with scattering). In some cases, it can result in extremely slow speeds of light in matter. The effects of photon interactions with other quasi-particles may be observed directly in Raman scattering and Brillouin scattering.^[113]

Photons can be scattered by matter. For example, photons engage in so many collisions on the way from the core of the Sun that radiant energy can take about a million years to reach the surface;^[114] however, once in open space, a photon takes only 8.3 minutes to reach Earth.^[115]

Photons can also be absorbed by nuclei, atoms or molecules, provoking transitions between their energy levels. A classic example is the molecular transition of retinal (C₂₀H₂₈O), which is responsible for vision, as discovered in 1958 by Nobel laureate biochemist George Wald and co-workers. The absorption provokes a cis–trans isomerization that, in combination with other such transitions, is transduced into nerve impulses. The absorption of photons can even break chemical bonds, as in the photodissociation of chlorine; this is the subject of photochemistry.^[116][117]

Technological applications[edit]

Photons have many applications in technology. These examples are chosen to illustrate applications of photons per se, rather than general optical devices such as lenses, etc. that could operate under a classical theory of light. The laser is an extremely important application and is discussed above under stimulated emission.

Individual photons can be detected by several methods. The classic photomultiplier tube exploits the photoelectric effect: a photon of sufficient energy strikes a metal plate and knocks free an electron, initiating an ever-amplifying avalanche of electrons. Semiconductor charge-coupled device chips use a similar effect: an incident photon generates a charge on a microscopic capacitor that can be detected. Other detectors such as Geiger counters use the ability of photons to ionize gas molecules contained in the device, causing a detectable change of conductivity of the gas.^[118]

Planck’s energy formula is often used by engineers and chemists in design, both to compute the change in energy resulting from a photon absorption and to determine the frequency of the light emitted from a given photon emission. For example, the emission spectrum of a gas-discharge lamp can be altered by filling it with (mixtures of) gases with different electronic energy level configurations.^[119]

Under some conditions, an energy transition can be excited by «two» photons that individually would be insufficient. This allows for higher resolution microscopy, because the sample absorbs energy only in the spectrum where two beams of different colors overlap significantly, which can be made much smaller than the excitation volume of a single beam (see two-photon excitation microscopy). Moreover, these photons cause less damage to the sample, since they are of lower energy.^[120]

In some cases, two energy transitions can be coupled so that, as one system absorbs a photon, another nearby system «steals» its energy and re-emits a photon of a different frequency. This is the basis of fluorescence resonance energy transfer, a technique that is used in molecular biology to study the interaction of suitable proteins.^[121]

Several different kinds of hardware random number generators involve the detection of single photons. In one example, for each bit in the random sequence that is to be produced, a photon is sent to a beam-splitter. In such a situation, there are two possible outcomes of equal probability. The actual outcome is used to determine whether the next bit in the sequence is «0» or «1».^[122][123]

Quantum optics and computation[edit]

Much research has been devoted to applications of photons in the field of quantum optics. Photons seem well-suited to be elements of an extremely fast quantum computer, and the quantum entanglement of photons is a focus of research. Nonlinear optical processes are another active research area, with topics such as two-photon absorption, self-phase modulation, modulational instability and optical parametric oscillators. However, such processes generally do not require the assumption of photons per se; they may often be modeled by treating atoms as nonlinear oscillators. The nonlinear process of spontaneous parametric down conversion is often used to produce single-photon states. Finally, photons are essential in some aspects of optical communication, especially for quantum cryptography.^[124]

Two-photon physics studies interactions between photons, which are rare. In 2018, MIT researchers announced the discovery of bound photon triplets, which may involve polaritons.^[125][126]

See also[edit]

Notes[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

External links[edit]

У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон (значения).

Фотон
Символ:	иногда
Излучённые фотоны в когерентном луче лазера.
Состав:	элементарная частица
Семья:	бозон
Группа:	калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях:	электромагнитное, гравитационное
Античастица:	(истинно нейтральная частица)
Теоретически обоснована:	М. Планк (1900); А. Эйнштейн (1905—1917)
Обнаружена:	1923 (окончательное подтверждение)
Кол-во типов:	1
Масса:	0 (< 10−22 эВ/c2)[1][2]
Время жизни:	стабилен
Квантовые0числа:
Электрический заряд:	0 (<10−35 e)[3][4]
Барионное число:	0
Спин:	1 ħ
Спиральность:	±1
Внутренняя чётность:	Не определена
Зарядовая чётность:	-1
Кол-во спиновых состояний:	2

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются буквой γ.

Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами.^[5][6]

Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.^[7]

История[править | править вики-текст]

Современная теория света основана на работах многих учёных. Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 году для объяснения свойств теплового излучения.^[8] Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году.^[9] В 1905—1917 годах Альбертом Эйнштейном опубликован^{[10][11][12][13]} ряд работ, посвящённых противоречиям между результатами экспериментов и классической волновой теорией света, в частности фотоэффекту и способности вещества находиться в тепловом равновесии с электромагнитным излучением.

Предпринимались попытки объяснить квантовые свойства света полуклассическими моделями, в которых свет по-прежнему описывался уравнениями Максвелла без учёта квантования, а объектам, излучающим и поглощающим свет, приписывались квантовые свойства (см., например, теорию Бора). Несмотря на то, что полуклассические модели оказали влияние на развитие квантовой механики (о чём в частности свидетельствует то, что некоторые их положения и даже следствия явным образом входят в современные квантовые теории^[14]), эксперименты подтвердили правоту Эйнштейна о квантовой природе света (см., например, фотоэффект). Следует отметить, что квантование энергии электромагнитного излучения не является исключением. В квантовой теории значения многих физических величин являются дискретными (квантованными). Примерами таких величин являются: угловой момент, спин и энергия связанных систем.

Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Например, были изобретены мазер, лазер, открыто явление конденсации Бозе — Эйнштейна, сформулирована квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В современной Стандартной модели физики элементарных частиц существование фотонов является следствием того, что физические законы инвариантны относительно локальной калибровочной симметрии в любой точке пространства-времени (см. более подробное описание ниже в разделе Фотон как калибровочный бозон). Этой же симметрией определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд, масса и спин.

Среди приложений концепции фотонов есть такие, как фотохимия^[15], видеотехника, компьютерная томография, микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний. Фотоны также используются в качестве элементов квантовых компьютеров^[16] и наукоёмких приборов для передачи данных (см. квантовая криптография).

История названия и обозначения[править | править вики-текст]

Фотон изначально был назван Альбертом Эйнштейном «световым квантом» (нем. das Lichtquant).^[10] Современное название, которое фотон получил от греческого слова φῶς, «phōs» («свет»), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом^[17], опубликовавшим свою теорию^[18], в которой фотоны считались «несоздаваемыми и неуничтожимыми». Хотя теория Льюиса не нашла своего подтверждения, находясь в противоречии с экспериментальными данными, новое название для квантов электромагнитного поля стало использоваться многими физиками.

В физике фотон обычно обозначается символом γ (греческая буква гамма). Это обозначение восходит к гамма-излучению, открытому в 1900 году и состоящему из достаточно высокоэнергетических фотонов. Открытие гамма-излучения, одного из трёх видов (α-, β— и γ-лучи) ионизирующей радиации, излучаемых известными на тот момент радиоактивными веществами, принадлежит Паулю Вилларду, электромагнитную природу гамма-лучей доказали в 1914 году Эрнест Резерфорд и Эдвард Андрейд. В химии и оптической инженерии для фотонов часто используют обозначение hν, где h — постоянная Планка и ν (греческая буква ню) — частота фотонов. Произведение этих двух величин есть энергия фотона.

История развития концепции фотона[править | править вики-текст]

Основная статья: Свет

В большинстве теорий, разработанных до XVIII века, свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году. В ней учёный представлял световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии».^[19] Так как подобные модели не смогли объяснить такие явления как рефракция, дифракция и двойное лучепреломление, была предложена волновая теория света, основателями которой стали Рене Декарт (1637)^[20], Роберт Гук (1665)^[21], и Христиан Гюйгенс (1678)^[22]. Однако модели, основанные на идее дискретного строения света, оставались доминирующими, во многом из-за влияния авторитета Исаака Ньютона, придерживавшегося этих теорий.^[23][24] В начале XIX века Томас Юнг и Огюстен Френель наглядно продемонстрировали в своих опытах явления интерференции и дифракции света, после чего примерно к 1850 году волновые модели стали общепринятыми.^[25] В 1865 году Джеймс Максвелл предположил в рамках своей теории^[26], что свет — это электромагнитная волна. В 1888 году эта гипотеза была подтверждена экспериментально Генрихом Герцем, обнаружившим радиоволны.^[27]

Волновая теория Максвелла не смогла, однако, объяснить всех свойств света. Согласно этой теории энергия световой волны должна зависеть только от её интенсивности, но не от частоты. На самом же деле результаты некоторых экспериментов показали обратное: переданная от света атомам энергия зависит только от частоты света, а не от интенсивности. Например, некоторые химические реакции могут начаться только при облучении вещества светом, частота которого выше определённого порогового значения; излучение, частота которого ниже этого значения, вне зависимости от интенсивности, не может инициировать реакцию. Аналогично, электроны могут быть вырваны с поверхности металлической пластины только при облучении её светом, частота которого выше определённого значения, так называемой красной границы фотоэффекта; энергия вырванных электронов зависит только от частоты света, но не от его интенсивности.^[28][29]

Исследования свойств излучения абсолютно чёрного тела, проходившие в течение почти сорока лет (1860—1900)^[30], завершились выдвижением гипотезы Макса Планка^[31][32] о том, что энергия любой системы при излучении или поглощении электромагнитного излучения частоты может измениться только на величину, кратную энергии кванта (то есть дискретно), где  — постоянная Планка.^[33] Альбертом Эйнштейном было показано, что такое представление о квантовании энергии должно быть принято, чтобы объяснить наблюдаемое тепловое равновесие между веществом и электромагнитным излучением.^[10][11] На этой же основе им был теоретически описан фотоэлектрический эффект, за эту работу Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике.^[34] Напротив, теория Максвелла допускает, что электромагнитное излучение может обладать какой угодно энергией (то есть не квантуется).

Многие физики предполагали изначально, что квантование энергии есть результат какого-то неизвестного свойства материи, поглощающей и излучающей электромагнитные волны. В 1905 году Эйнштейн предположил, что квантование энергии — свойство самого электромагнитного излучения.^[10] Признавая справедливость теории Максвелла, Эйнштейн указал, что многие аномальные в то время результаты экспериментов могут быть объяснены, если энергию световой волны локализовать в подобные частицам кванты, которые движутся независимо друг от друга, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве.^[10] В 1909^[11] и 1916 годах^[13], Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом ^[35]. Импульс фотона был обнаружен экспериментально^[36][37] Артуром Комптоном, за эту работу он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Однако вопрос согласования волновой теории Максвелла с экспериментальным обоснованием дискретной природы света оставался открытым.^[38] Ряд авторов утверждали, что излучение и поглощение электромагнитных волн происходит порциями, квантами, однако процессы распространения волны непрерывны. Квантовый характер явлений излучения и поглощения доказывает наличие у микросистем, в том числе у электромагнитного поля, отдельных энергетических уровней и невозможность микросистемы обладать произвольной величиной энергии. Корпускулярные представления хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми закономерностями излучения и поглощения электромагнитных волн, в частности, с закономерностями теплового излучения и фотоэффекта. Однако по их мнению экспериментальные данные свидетельствуют, что квантовые свойства электромагнитной волны не проявляются при распространении, рассеянии, дифракции электромагнитных волн, если они не сопровождаются потерей энергии. В процессах распространения электромагнитная волна не локализована в определённой точке пространства, ведёт себя как единое целое и описывается уравнениями Максвелла.^[39] Решение было найдено в рамках квантовой электродинамики (см. раздел корпускулярно-волновой дуализм ниже) и её преемницы Стандартной модели.

В соответствии с квантовой электродинамикой электромагнитное поле в объёме куба с длиной ребра d можно представить в виде плоских стоячих волн, сферических волн или плоских бегущих волн . Объём при этом считается заполненным фотонами с распределением энергии , где n — целое число. Взаимодействие фотонов с веществом приводит к изменению числа фотонов n на (излучение или поглощение).

Попытки сохранить теорию Максвелла[править | править вики-текст]

Как упомянуто в нобелевской лекции Роберта Милликена, предсказания, сделанные в 1905 году Эйнштейном, были проверены экспериментально несколькими независимыми способами в первые два десятилетия XX века^[40]. Тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона^[36] идея квантовой природы электромагнитного излучения не была среди физиков общепринятой (см., например, Нобелевские лекции Вильгельма Вина^[30], Макса Планка^[32] и Роберта Милликена^[40]), что было связано с успехами волновой теории света Максвелла. Некоторые физики считали, что квантование энергии в процессах излучения и поглощения света являлось следствием неких свойств вещества, излучающего или поглощающего свет. Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд и другие разрабатывали модели атома с дискретными уровнями энергии, которые объясняли наличие спектров излучения и поглощения у атомов и, более того, находились в прекрасном согласии с наблюдаемым спектром водорода^[41] (правда, получить спектры других атомов в этих моделях не удавалось)^[42]. Только рассеяние фотона свободным электроном, не имеющим (по тогдашним представлениям) внутренней структуры, а, соответственно, и энергетических уровней, заставило многих физиков признать квантовую природу света.

Однако даже после экспериментов Комптона, Бор, Хендрик Крамерс и Джон Слейтер предприняли последнюю попытку спасти классическую максвелловскую волновую модель света, без учёта его квантования, опубликовав так называемую БКС теорию^[43]. Для объяснения экспериментальных данных ими были предложены две гипотезы^[44]:

1. Энергия и импульс сохраняются лишь статистически (в среднем) во взаимодействиях между материей и излучением. В отдельных элементарных процессах, таких как излучение и поглощение, законы сохранения энергии и импульса не выполняются.
   Это предположение позволило согласовать ступенчатость изменения энергии атома (переходы между энергетическими уровнями) с непрерывностью изменения энергии самого излучения.
2. Механизм излучения носит специфический характер. В частности, спонтанное излучение рассматривалось как излучение, стимулированное «виртуальным» электромагнитным полем.

Однако эксперименты Комптона показали, что энергия и импульс сохраняются точно в элементарных процессах, а также что его расчёты изменения частоты падающего фотона в комптоновском рассеянии выполняются с точностью до 11 знаков. После этого Бор и его соавторы удостоили свою модель «благородных похорон, насколько это было возможно»^[38]. Тем не менее крах БКС модели вдохновил Вернера Гейзенберга на создание матричной механики^[45].

Одним из экспериментов, подтверждающим квантование поглощения света, стал опыт Вальтера Боте, проведённый им в 1925 году. В этом опыте тонкая металлическая фольга облучалась рентгеновским излучением низкой интенсивности. При этом фольга сама становилась источником слабого вторичного излучения. Исходя из классических волновых представлений, это излучение должно распределяться в пространстве равномерно во всех направлениях. В этом случае два счётчика, находившиеся слева и справа от фольги, должны были фиксировать его одновременно. Однако результат опыта оказался прямо противоположным: излучение фиксировалось либо правым, либо левым счётчиком и никогда обоими одновременно. Следовательно, поглощение идёт отдельными квантами. Опыт, таким образом, подтвердил исходное положение фотонной теории излучения, и стал, тем самым, ещё одним экспериментальным доказательством квантовых свойств электромагнитного излучения^[46].

Некоторые физики^[47] продолжали разрабатывать полуклассические модели, в которых электромагнитное излучение не считалось квантованным, но вопрос получил своё разрешение только в рамках квантовой механики. Идея фотонов при объяснении физических и химических экспериментов стала общепринятой к 70-м годам XX века. Все полуклассические теории большинством физиков стали считаться окончательно опровергнутыми в 70-х и 80-х годах в экспериментах по фотонной корреляции^[48]. Таким образом, идея Планка о квантовых свойствах электромагнитного излучения и развитая на её основе гипотеза Эйнштейна считаются доказанными.

Физические свойства фотона[править | править вики-текст]

Фотон — безмассовая нейтральная частица. Спин фотона равен 1 (частица является бозоном), но из-за нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является спиральность, проекция спина частицы на направление движения. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной . Этому свойству в классической электродинамике соответствует циркулярная поляризация электромагнитной волны.^[9]

Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретических обоснованиях (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния).^[49] Поэтому скорость фотона, как и скорость любой безмассовой частицы, равна скорости света. По этой причине (не существует системы отсчёта, в которой фотон покоится) внутренняя чётность частицы не определена.^[9] Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» (термин ныне выходит из употребления) исходя из соотношения то она составит Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице)^[50], поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна −1. Вследствие закона сохранения зарядовой чётности и её мультипликативности в электромагнитных процессах невозможно превращение чётного числа фотонов в нечётное и наоборот (Теорема Фарри).

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.^[9]

Фотон проводит часть времени как виртуальная частица векторный мезон или как виртуальная пара адрон-антиадрон. За счёт этого явления фотон способен участвовать в сильных взаимодействиях. Свидетельством участия фотона в сильных взаимодействиях являются процессы фоторождения  — мезонов на протонах и нейтронах, а также множественное образование нуклонов на протонах и ядрах. Сечения процессов фоторождения нуклонов на протонах и нейтронах очень близки друг к другу. Это объясняется тем, что у фотона есть адронная составляющая, за счёт чего фотон участвует в сильных взаимодействиях.^[51][52][53]

Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и направление распространения.

Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон.^[54] При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.^[55]

Если энергия фотона равна , то импульс связан с энергией соотношением , где  — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой , как показано в специальной теории относительности.^[56]

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что эквивалентно, от длины волны ):

,

,

и, следовательно, величина импульса есть:

,

где  — постоянная Планка, равная ;  — волновой вектор и  — его величина (волновое число);  — угловая частота. Волновой вектор указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.

Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.^[57]

В зависимости от электрической и магнитной мультипольности системы зарядов, излучившей данный фотон, для фотона возможны состояния с полными моментами импульса и чётностью или . Различают состояния фотонов электрического и магнитного типа. Состояние фотона с моментом и чётностью называется фотонным  — полем электрического типа, с чётностью называется фотонным  — полем магнитного типа. Для обозначения фотонов определённой мультипольности сначала пишется буква для электрического мультиполя или для магнитного мультиполя и вплотную к этой букве пишется цифра, равная полному моменту . Электрический дипольный фотон обозначается как , магнитный дипольный — , электрический квадрупольный фотон — , и т. д.^[58]

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости[править | править вики-текст]

Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой , проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла.^[59] Тем не менее, эксперименты показывают, что фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (так же как, например, электроны). Таким образом, фотоны в процессах излучения и поглощения ведут себя как точечноподобные частицы. В то же время, это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов, описанными выше (см. также Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена). Также невозможно ввести понятие тока фотонов, для которого выполнялось бы уравнение непрерывности для плотности числа фотонов.^[60]

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.^[61]

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики:

где  — апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

После умножения первого выражения на второе получается соотношение неопределённостей Гейзенберга: . Таким образом, весь мир квантован: если вещество подчиняется законам квантовой механики, то и поле должно им подчиняться, и наоборот^[62].

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

И фотоны, и частицы вещества (электроны, нуклоны, ядра, атомы и т. д.), обладающие массой покоя, при прохождении через две близко расположенные узкие щели дают похожие интерференционные картины. Для фотонов это явление можно описать с использованием уравнений Максвелла, для массивных частиц используют уравнение Шрёдингера. Можно было бы предположить, что уравнения Максвелла — упрощённый вариант уравнения Шрёдингера для фотонов. Однако с этим не согласны большинство физиков^[63][64]. С одной стороны, эти уравнения отличаются друг от друга математически: в отличие от уравнений Максвелла (описывающих поля — действительные функции координат и времени), уравнение Шрёдингера комплексное (его решением является поле, представляющее собой, вообще говоря, комплексную функцию). С другой стороны, понятие вероятностной волновой функции, которая явным образом входит в уравнение Шрёдингера, не может быть применено по отношению к фотону.^[65] Фотон — безмассовая частица, поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения. Формально говоря, фотон не может иметь координатное собственное состояние и, таким образом, обычный принцип неопределённости Гейзенберга в виде к нему неприменим.^[66] Были предложены изменённые варианты волновой функции для фотонов^{[67][68][69][70]}, но они не стали общепринятыми. Вместо этого в физике используется теория вторичного квантования (квантовая электродинамика), в которой фотоны рассматриваются как квантованные возбуждения электромагнитных мод.

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна[править | править вики-текст]

Квантовая статистика, применяемая к системам частиц с целочисленным спином, была предложена в 1924 году индийским физиком Ш. Бозе для квантов света и развита А. Эйнштейном для всех бозонов. Электромагнитное излучение внутри некоторого объёма можно рассматривать как идеальный газ, состоящий из совокупности фотонов, практически не взаимодействующих друг с другом. Термодинамическое равновесие этого фотонного газа достигается путём взаимодействия со стенками полости. Оно наступает тогда, когда стенки излучают в единицу времени столько же фотонов, сколько поглощают.^[71] При этом внутри объёма устанавливается определённое распределение частиц по энергиям. Бозе получил планковский закон излучения абсолютно чёрного тела, вообще не используя электродинамику, а просто модифицировав подсчёт квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве^[72]. В частности, было установлено, что число фотонов в абсолютно чёрной полости, энергия которых приходится на интервал от до равно^[71]:

где  — объём полости,  — постоянная Дирака,  — температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ: объёмом, температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление на стенки, так как фотоны обладают импульсом.^[71] Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

где  — постоянная Стефана — Больцмана.

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия»^[73][74], сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера. В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе — Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия.^[75] В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а фермионы, например, электроны, — статистике Ферми — Дирака.^[76]

Спонтанное и вынужденное излучение[править | править вики-текст]

Основной источник: ^[77]

В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:

1. Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
2. При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

Кроме того, полагалось, что излучение и поглощение света атомами происходит независимо друг от друга и что тепловое равновесие в системе сохраняется за счёт взаимодействия с атомами. Рассмотрим полость, находящуюся в тепловом равновесии и заполненную электромагнитным излучением, которое может поглощаться и излучаться веществом стенок. В состоянии теплового равновесия спектральная плотность излучения , зависящая от частоты фотона , в среднем не должна зависеть от времени. Это означает, что вероятность излучения фотона любой данной частоты должна быть равна вероятности его поглощения.^[78]

Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость поглощения фотонов частоты и перехода атомов с энергетического уровня на вышележащий уровень с энергией пропорциональна числу атомов с энергией и спектральной плотности излучения для окружающих фотонов той же частоты:

.

Здесь  — константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции , характеризующая излучение системой фотонов частоты и переход атомов с вышележащего уровня энергии на нижележащий с энергией , равняется:

.

Здесь  — коэффициент спонтанного излучения,  — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии и в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины и должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:

,

где  — кратность вырождения энергетических уровней и ,  — энергия этих уровней,  — постоянная Больцмана,  — температура системы. Из сказанного следует вывод, что и:

.

Коэффициенты и называют коэффициентами Эйнштейна.^[79]

Эйнштейну не удалось полностью объяснить все эти уравнения, но он считал, что в будущем станет возможным рассчитать коэффициенты , и , когда «механика и электродинамика будут изменены так, чтобы соответствовать квантовой гипотезе».^[80] И это действительно произошло. В 1926 году Поль Дирак получил константу , используя полуклассический подход^[81], а в 1927 успешно нашёл все эти константы, исходя из основополагающих принципов квантовой теории.^[82][83] Эта работа стала фундаментом квантовой электродинамики, то есть теории квантования электромагнитного поля. Подход Дирака, названные методом вторичного квантования, стал одним из основных методов квантовой теории поля.^[84][85][86] Следует отметить ещё раз, что в ранней квантовой механике только частицы вещества, а не электромагнитное поле, трактовались как квантовомеханические.

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица.^[23] Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности.^[38] Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции^[87][88] было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.^[89]

Вторичное квантование[править | править вики-текст]

В 1910 году Петер Дебай получил формулу Планка, исходя из относительно простого предположения.^[90] Он разложил электромагнитное поле в абсолютно чёрной полости по Фурье-модам и предположил, что энергия каждой моды является целым кратным величины где  — соответствующая данной моде частота. Геометрическая сумма полученных мод представляла собой закон излучения Планка. Однако, используя этот подход, оказалось невозможным получить верную формулу для флуктуаций энергии теплового излучения. Решить эту задачу удалось Эйнштейну в 1909 году.^[11]

В 1925 году Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан дали несколько иную интерпретацию дебаевского подхода.^[91] Используя классические представления, можно показать, что Фурье-моды электромагнитного поля — полная совокупность электромагнитных плоских волн, каждой из которых соответствует свой волновой вектор и своё состояние поляризации, — эквивалентны совокупности невзаимодействующих гармонических осцилляторов. С точки зрения квантовой механики, энергетические уровни таких осцилляторов определяются соотношением где  — частота осциллятора. Принципиально новым шагом стало то, что мода с энергией рассматривалась здесь как состояние из фотонов. Этот подход позволил получить правильную формулу для флуктуаций энергии излучения абсолютно чёрного тела.

Поль Дирак пошёл ещё дальше.^[82][83] Он рассматривал взаимодействие между зарядом и электромагнитным полем как небольшое возмущение, которое вызывает переходы в фотонных состояниях, изменяя числа фотонов в модах при сохранении полных энергии и импульса системы. Дирак, исходя из этого, смог получить коэффициенты Эйнштейна и из первых принципов и показал, что статистика Бозе — Эйнштейна для фотонов — естественное следствие корректного квантования электромагнитного поля (сам Бозе двигался в противоположном направлении — он получил закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела, постулировав статистическое распределение Бозе — Эйнштейна). В то время ещё не было известно, что все бозоны, включая фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.

Рассмотренный Дираком второй порядок приближения в рамках теории возмущений вводит понятие виртуального фотона, кратковременного промежуточного состояния электромагнитного поля. Электростатическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством обмена такими виртуальными фотонами. В таких квантовых теориях поля амплитуда вероятности наблюдаемых событий вычисляется путём суммирования по всем возможным промежуточным путям, в том числе даже нефизическим; так, виртуальные фотоны не обязаны удовлетворять дисперсионному соотношению , выполняющемуся для физических безмассовых частиц, и могут иметь дополнительные поляризационные состояния (у реальных фотонов две поляризации, тогда как у виртуальных — три или четыре, в зависимости от использующейся калибровки). Хотя виртуальные частицы и, в частности, виртуальные фотоны не могут наблюдаться непосредственно^[92], они вносят измеримый вклад в вероятность наблюдаемых квантовых событий. Более того, расчёты во втором и высших порядках теории возмущений иногда приводит к появлению бесконечно больших значений для некоторых физических величин. Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки.^[93] Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму. Например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары.^[94] Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера.^[95]

Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц, описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов, увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.^[96]

В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

где представляет собой состояние с числом фотонов находящихся в моде Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде записывается так:

Фотон как калибровочный бозон[править | править вики-текст]

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат.^[97][98] Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.

Квант такого калибровочного поля должен быть безмассовым незаряженным бозоном, пока симметрия не нарушится. Поэтому фотон (который как раз и является квантом электромагнитного поля) рассматривается в современной физике как безмассовая незаряженная частица с целым спином. Корпускулярная модель электромагнитного взаимодействия приписывает фотону спин, равный ; это означает, что спиральность фотона равна . С точки зрения классической физики спин фотона можно интерпретировать как параметр, отвечающий за поляризационное состояние света (за направление вращения вектора напряжённости в циркулярно-поляризованной световой волне^[99]). Виртуальные фотоны, введённые в рамках квантовой электродинамики, могут также находиться в нефизических поляризационных состояниях.^[97]

В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов, осуществляющих электрослабое взаимодействие. Остальные три (W⁺, W⁻ и Z⁰) называются векторными бозонами и отвечают только за слабое взаимодействие. В отличие от фотона у векторных бозонов есть масса, они обязаны быть массивными вследствие того, что слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях, <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 нарушения электрослабой симметрии. Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения.^[98] 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.^{[100][101][102]} 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.^[103]

Вклад фотонов в массу системы[править | править вики-текст]

Энергия системы, излучающей фотон с частотой , уменьшается на величину , равной энергии этого фотона. В результате масса системы уменьшается (если пренебречь переданным импульсом) на . Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину.^[104]

В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).^[105]

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.^[106]

Фотоны в веществе[править | править вики-текст]

Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем  — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца.^[107] Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её.^[108] В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью . Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.^[109]

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света , даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость.^[110] Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей . С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).^[111]

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками.^[112] Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса.^[113] Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.^[114][115]

Техническое применение[править | править вики-текст]

Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже для иллюстрации приведены лишь некоторые из них.

Важным техническим устройством, использующим фотоны, является лазер. Его работа основана на явлении вынужденного излучения, рассмотренного выше. Лазеры применяются во многих областях технологии. Технологические процессы (сварка, резка и плавление металлов) осуществляются, главным образом, газовыми лазерами, обладающими высокой средней мощностью. В металлургии они позволяют получить сверхчистые металлы. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой (например, лазер на красителях) произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов.^[116] Лазеры также применяются в медицине как бескровные скальпели^[117], при лечении глазных и кожных заболеваний. Лазерная локация способствовала уточнению систем космической навигации, расширила знания об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия, существенно уточнила характеристики движения Луны и планеты Венера по сравнению с астрономическими данными. С использованием лазеров пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза.^[118] Лазеры широко используются в быту (лазерные принтеры, DVD, лазерные указки и др.).

Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.

По применяемым методам различают несколько типов спектрального анализа^[119]:

1. Эмиссионный, использующий спектры излучения атомов, реже — молекул. Этот вид анализа предполагает сжигание некоторого количества пробы в пламени газовой горелки, электрической дуге постоянного или переменного тока, электрической высоковольтной искре. Частным случаем эмиссионного анализа является люминесцентный анализ.
2. Абсорбционный, использующий спектр поглощения, главным образом молекул, но может быть применён и для атомов. Здесь пробу целиком переводят в газообразное состояние и пропускают через неё свет от источника сплошного излучения. На выходе на фоне сплошного спектра наблюдается спектр поглощения испарённого вещества.
3. Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, а также дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения его структуры. Главное достоинство метода в том, что рентгеновские спектры содержат немного линий, что значительно облегчает изучение состава пробы. Среди недостатков можно выделить невысокую чувствительность и сложность аппаратуры.

В качественном спектральном анализе определяется только состав пробы без указания на количественное соотношение компонентов. Последняя проблема решается в количественном спектральном анализе, на основании того, что интенсивность линий в спектре зависит от содержания соответствующего вещества в исследуемой пробе.^[120] Таким образом по спектру вещества может быть определён его химический состав. Спектральный анализ — чувствительный метод, он широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.

Работа многих аппаратных генераторов случайных чисел основана на определении местоположения одиночных фотонов. Упрощённый принцип действия одного из них сводится к следующему. Для того, чтобы сгенерировать каждый бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель. Для любого фотона существует лишь две равновероятные возможности: пройти лучеделитель или отразиться от его грани. В зависимости от того прошёл фотон лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается «0» или «1».^[121][122]

Последние исследования[править | править вики-текст]

В настоящее время считается, что свойства фотонов хорошо поняты с точки зрения теории. Стандартная модель рассматривает фотоны как калибровочные бозоны со спином, равным 1, с нулевой массой покоя^[123] и нулевым электрическим зарядом (последнее следует, в частности, из локальной унитарной симметрии U(1) и из опытов по электромагнитному взаимодействию). Однако физики продолжают искать несоответствия между экспериментом и положениями Стандартной модели. Постоянно повышается точность проводимых экспериментов по определению массы и заряда фотонов. Обнаружение хоть сколько-нибудь малой величины заряда или массы у фотонов нанесло бы серьёзный удар по Стандартной модели. Все эксперименты, проведённые до сих пор, показывают, что у фотонов нет ни заряда^[4], ни массы покоя^{[124][125][126][127][128][129][130][131][132][133][134][135]} Наибольшая точность, с которой удалось измерить заряд фотона равна 5·10⁻⁵² Кл (или 3·10⁻³³ e); для массы — 1,1·10⁻⁵² кг (6·10⁻¹⁷ эВ/c² или 1·10⁻²² m_e).^[136]

Многие современные исследования посвящены применению фотонов в области квантовой оптики. Фотоны кажутся подходящими частицами для создания на их основе сверхпроизводительных квантовых компьютеров. Изучение квантовой запутанности и связанной с ней квантовой телепортации также является приоритетным направлением современных исследований.^[137] Кроме этого идёт изучение нелинейных оптических процессов и систем, в частности, явления двухфотонного поглощения, синфазной модуляции и оптических параметрических осцилляторов. Однако подобные явления и системы преимущественно не требуют использования в них именно фотонов. Они часто могут быть смоделированы путём рассмотрения атомов в качестве нелинейных осцилляторов. Нелинейный оптический процесс спонтанного параметрического рассеяния часто используется для создания перепутанных состояний фотонов^[138]. Наконец, фотоны используются в оптической коммуникации, в том числе в квантовой криптографии.^[139]

См. также[править | править вики-текст]

• Квантовая оптика
• Лазер
• Поляризация электромагнитных волн
• Свет
• Фотография
• Фотоника
• Электромагнитное излучение
• Эффект Доплера

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

• Все экспериментально измеренные свойства фотона на сайте Particle Data Group (англ.)
• MISN-0-212 Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
• How to entangle photons experimentally