Фотон

Фотон — квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Фотон — наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах. В 1964 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2,7 К. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной, когда вещество находилось при огромной температуре и давлении (см. Космология). Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 штук в 1 см³. Это число можно сравнить с распространенностью протонов, из которых построен окружающий нас мир: во Вселенной в среднем имеется не более одного протона на 1 м³. Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Необычна историческая судьба фотона; пожалуй, это единственная элементарная частица, для которой нельзя указать автора ее экспериментального открытия. Фотон был открыт теоретически М. Планком, который 14 декабря 1900 г. на заседании Берлинского физического общества высказал свою гипотезу о квантовании энергии излучения. С этого момента в физике началась квантовая эра. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн в 1905 г. предположил, что свет не только излучается и поглощается отдельными порциями, но и состоит из них. Это было смелое и необычное обобщение. Например, мы всегда пьем воду порциями, глотками, но отсюда не следует, что вода состоит из отдельных глотков. По теории Эйнштейна, электромагнитная волна стала выглядеть как поток квантов.

Гипотеза Планка позволила объяснить закономерности фотоэффекта, люминесценции и ряда других явлений. Наиболее ярко корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявились в экспериментах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на свободных электронах (1922). Эффект Комптона подтвердил правильность квантовых представлений об электромагнитном излучении, и в физику в 1920-х гг. окончательно вошла новая элементарная частица, названная фотоном (от греческого слова, означающего «свет»).

Фотон, как и любая другая квантовая частица, имеет и волновые, и корпускулярные свойства одновременно, так что в затянувшемся почти на два века споре между сторонниками волновой и корпускулярной теорий света все оказались по-своему правы. В обычной жизни корпускулярные свойства света не проявляются, поскольку мы имеем дело с фотонами не поодиночке, а сразу с большим количеством, воспринимаемым как световая волна. Известно, что электромагнитная волна характеризуется круговой частотой о), интенсивностью и скоростью распространения с, имеющей фундаментальный смысл предельной скорости распространения взаимодействий (современное значение с = 2,99792458•10¹⁰ см/с). Соответствующие волне фотоны имеют энергию Е = ħω и импульс р = ħω/c (современное значение постоянной Планка ħ = 1,0545887•10^-34 Дж•с). Например, максимум излучения Солнца приходится на свет с длиной волны К = 4,6•10^-5 см, чему соответствует круговая частота ω=2πc/λ = 4,1•10¹⁵ Гц. Энергия таких фотонов Е = ħω = 4,3•10^-19 Дж. Солнечная постоянная, т. е. энергия, падающая в единицу времени на единицу площади земной поверхности, равна 0,14 Дж/см²•с, откуда можно вычислить, что в 1 с на 1 см² падает огромное число фотонов, около 3•10¹⁷. В то же время в опытах с элементарными частицами детекторы регистрируют фотоны поодиночке, и даже человеческий глаз в принципе способен на это.

Число фотонов не постоянно, они могут рождаться и уничтожаться в процессах взаимодействия, например в процессе аннигиляции (см. Антивещество) : е^- + е⁺ → γ + γ (е^-, е⁺ — символы электрона и позитрона, γ — символ фотона, гамма-кванта). И здесь и в эффекте Комптона (е^- + γ → е⁺ + γ) фотоны выступают как реальные наблюдаемые частицы. Кроме того, фотоны могут существовать в ненаблюдаемом, виртуальном состоянии, перенося электромагнитные взаимодействия.

Свойства фотона как элементарной частицы уходят своими корнями в классическую электродинамику. Фотон электрически нейтрален, его заряд равен нулю. (В противном случае две электромагнитные волны могли бы взаимодействовать друг с другом, а поле двух зарядов уже не являлось бы суммой полей каждого из них в отдельности.) Фотон также не имеет никаких других зарядов: как говорят, он истинно нейтрален и тождествен своей античастице (см. Антивещество). Зарядовая четность фотона равна —1, что следует из очевидного факта изменения направления электрического и магнитного полей на противоположные при изменении знаков всех зарядов какой-либо системы. Сохранение зарядовой четности в электромагнитных взаимодействиях, связанное с симметрией между электронами и их античастицами — позитронами, приводит к определенным ограничениям на реакции. Например, некоторые системы частиц могут распадаться лишь на четное число фотонов, а другие — лишь на нечетное (см. Антивещество).

Особенно хорошо изучены процессы взаимодействия фотонов с электронами и позитронами — это так называемая квантовая электродинамика, предсказания которой проверены в экспериментах с огромной точностью.

Масса покоя фотона равна нулю. Это означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью с. Если предположить наличие у фотона некоторой малой, но все же конечной массы mY, то можно исследовать возникающие при этом наблюдаемые эффекты. Как и у обычных частиц, скорость фотонов тогда должна была бы зависеть от их энергии (т. е. от длины волны излучения) и быть всегда меньше с. Эффект дисперсии электромагнитных волн в вакууме можно было бы в принципе обнаружить по излучению пульсаров. Образно говоря, синие лучи придут к наблюдателю раньше красных. При тех огромных расстояниях, которые отделяют нас от пульсаров, время прибытия должно было бы заметно различаться даже при небольших отличиях в скоростях разных лучей.

Наличие у фотона конечной массы покоя привело бы к появлению конечного радиуса действия электромагнитных сил. В самом деле, если заряд испускает виртуальный фотон, то возникает неопределенность в энергии ∆E ≈ m_γс², и по соотношению неопределенностей такой фотон может существовать лишь в течение времени ∆t ≈ ħ/∆E ≈ ħ/m_γс². За это время он пройдет расстояние, не большее λ_γ = = ∆t•c ≈ ħ/m_γ•c, после чего должен поглотиться другим зарядом. Эффекты конечной массы покоя фотона проявлялись бы, следовательно, на расстояниях, больших или порядка λ_γ. Наблюдения над пульсарами, межпланетными и межгалактическими магнитными полями позволили получить оценку λ_γ ≥≈ 10² см ≈ 10 тыс. световых лет или m_γ ≈≤ 3•10^-60 г (для сравнения: масса электрона m_e≈9,1•10^-28 г). Заметим, что если масса фотона по порядку величины меньше 10^-66 г, то радиус действия электромагнитных сил станет больше видимого радиуса Вселенной (2•10²⁸ см ≈ 20 млрд. световых лет). Столь малая масса принципиально не обнаружим а на опыте, так что для экспериментальных поисков конечной массы покоя фотона остается не такой уж большой интервал от 10^-60 до 10^-66 г. Поэтому вполне можно считать ее равной нулю. В квантовой теории поля установлена глубокая связь между этим свойством фотона и законом сохранения электрического заряда.

Фотон — одна из наиболее изученных элементарных частиц с относительно простыми свойствами. Возможно, дальнейшее углубление нашего понимания природы фотона и его роли в микромире произойдет с развитием теорий, объединяющих воедино все виды фундаментальных взаимодействий (см. Единство сил природы).