С какой скоростью движется фотон

Спросите Итана: всегда ли свет движется с одной и той же скоростью?

На изображении центра галактики в нескольких диапазонах длин волн видно такие источники излучения, как звёзды, газ, чёрные дыры, и т.д. Но свет, исходящий от всех этих источников, от гамма-излучения до видимого и радиодиапазона, всегда движется через пустое пространство с одной и той же скоростью: скоростью света в вакууме

Неважно, насколько быстро вы двигаетесь, одну вещь вы никогда не сможете поймать: свет. Скорость света — не только максимальная скорость, с которой во Вселенной может что-либо перемещаться, она ещё считается универсальной постоянной. Включаем ли мы фонарик, смотрим ли на Луну или Солнце, или измеряем параметры галактики, находящейся в миллиардах световых лет от нас, скорость света — единственное, что остаётся неизменным. Но всегда ли это так? Именно это хочет узнать наш читатель:

Движется ли свет с одной и той же скоростью всё время? Если его что-либо замедлит, останется ли он замедленным после того, как это влияние исчезнет? Разгонится ли он обратно до скорости света?

Начнём с того, что собой представляет свет на фундаментальном уровне: кванты.

Колеблющиеся в одной фазе электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение. Мельчайшая единица электромагнитного излучения, квант, известна под названием фотон.

Свет может быть непохожим на частицы, если вы наблюдаете за таким источником света, как лампочка, фонарик, лазерная указка или Солнце — но это всё оттого, что мы не умеем видеть его отдельные частицы. Если мы вместо наших глаз будем использовать электронные фотодетекторы, мы обнаружим, что весь свет Вселенной состоит из одних и тех же частиц, или квантов — фотонов. У него есть несколько свойств, одинаковых для всех фотонов:

• масса, равная 0;
• скорость, всегда равная с, скорости света;
• спин, мера внутреннего углового момента, всегда равный 1;

Шкалы размера, длины волны и температуры/энергии, соответствующие различным частям электромагнитного спектра

Через вакуум космоса, вне зависимости от энергии, они всегда перемещаются со скоростью света. И неважно, как быстро вы будете пытаться двигаться вслед за светом, или по направлению к нему: наблюдаемая вами скорость фотонов всегда будет одной и той же. Вместо скорости изменяться будет их энергия. Двигайтесь по направлению к свету, и он будет казаться более синим, и его энергия будет больше. Двигайтесь от него, и он будет казаться красным, и его энергия будет меньше. Но вне зависимости от того, как двигаетесь вы, как двигается свет, как вы меняете энергию — скорость света не изменится. Фотон самой высокой или самой низкой из всех наблюдаемых энергий всегда будет двигаться с одной и той же скоростью.

Все безмассовые частицы движутся со скоростью света, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, переносящие соответственно электромагнитные, сильные ядерные и гравитационные взаимодействия

Но если вы захотите перейти от вакуума в некий материал, свет можно будет замедлить. Любой материал, прозрачный для света, позволит фотонам перемещаться внутри него — будь то вода, акриловая смола, кристаллы, стекло, и даже воздух. Но поскольку в этих материалах есть заряженные частицы — электроны — они будут взаимодействовать с фотонами, и таким образом замедлять их. Свет, хотя он и не имеет заряда, ведёт себя, как волна. Фотон, двигаясь в пространстве, вызывает колебания электрического и магнитного полей, из-за чего может взаимодействовать с заряженными частицами. Эти взаимодействия замедляют его, заставляя двигаться со скоростью, меньшей, чем скорость света, пока он движется в среде.

Поведение белого света, проходящего через призму, демонстрирует, как свет разных энергий движется с разными скоростями в среде — но не в вакууме

У разных фотонов будет разная энергия, а значит, их электрические и магнитные поля будут колебаться с разной частотой. В вакууме скорость разных видов света одинаковая, а в среде может отличаться. Просветите белым светом, состоящим из всех цветов, каплю воды или призму, и фотоны больших энергий замедлятся сильнее, чем фотоны меньших, что заставит свет разделиться на цвета.

Основная (яркая) и вторичные (тусклые) радуги появляются из-за взаимодействия солнечного света и капель воды, а дополнительные — из-за отражений в воде. Цвета разделяются из-за разной скорости фотонов разных энергий, движущихся в среде — в данном случае, в воде

Именно так свет, проходя через капли воды, создаёт радугу — фотоны разных энергий взаимодействуют с заряженными частицами среды, и замедляются по-разному.

Множественные отражения света в капле воды приводят к разделению света под разными углами, когда красный свет в водной среде движется быстрее, а фиолетовый — медленнее.

Важно помнить, что при этом никакие свойства света не меняются. Он не теряет энергию, не меняет присущих ему внутренних свойств, ни во что не превращается. Меняется только окружающее его пространство. Когда этот свет покидает среду и возвращается в вакуум, он вновь движется со скоростью света в вакууме: 299 792 458 метров в секунду. На самом деле сами определения расстояний и времени — метра и секунды — рассчитываются через скорость света. Атомы могут поглощать или испускать свет, в зависимости от переходов электронов внутри атомов.

Атомный переход с орбитали 6s, Δf₁, определяет метр, секунду и скорость света

У цезия, 55-й элемента таблицы Менделеева, есть 55 электронов в едином, стабильном, нейтральном атоме. Первые 54 электрона обычно существуют в состоянии с наименьшей энергией, но у 55-го есть два возможных уровня энергии, которые он может занимать, расположенные чрезвычайно близко друг к другу. Если он переходит с того, что чуть выше, на тот, что чуть ниже, то энергия перехода переходит фотону с совершенно определённой энергией. Если взять 9 192 631 770 циклов этого фотона, то получится 1 секунда. Если взять расстояние, которое он пройдёт за 30,663319 циклов (9 192 631 770 / 299 792 458), то получится 1 метр.

Из этого следует удивительно глубокая вещь: пока атомы по всей Вселенной совершенно одинаковы, наше определение времени, расстояния и скорости света не изменятся, вне зависимости от того, в какой точке Вселенной мы их применяем.

Неважно, как далеко мы заглянем во Вселенную, физика, управляющая атомами, и определяющая длину, время и скорость света, останется неизменной

Итак, что же мы узнали в итоге?

1. Свет, вне зависимости от того, высока или низка его энергия, всегда движется со скоростью света, пока он движется в вакууме пустого пространства.
2. Никакие изменения вашего движения или движения света не меняют эту скорость.
3. Отправляя свет в среду, отличную от вакуума, можно изменить его скорость, пока он движется в этой среде.
4. Свет разных энергий будет менять скорость по-разному, в зависимости от свойств среды.
5. Покинув среду и вернувшись в вакуум, свет снова начинает двигаться со скоростью света.
6. Согласно нашим познаниям и лучшим измерениям, скорость света сохраняется на отметке 299 792 458 м/с во всех местах и во все времена Вселенной.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

С какой скоростью движется фотон

Фотон – фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы. Фотон имеет определенную энергию Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ·сек, ν – частота электромагнитных колебаний) и импульс, величина которого р = Е/с (с – скорость света, с которой всегда движется фотон в пустоте).
Наряду с реальными фотонами, существуют и так называемые виртуальные фотоны. Реальные фотоны, о которых говорилось выше, переносят энергию электромагнитного излучения и, в зависимости от этой энергии, выступают в виде радиоволн, обычного света, рентгеновских лучей и гамма-квантов. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Для виртуальных фотонов не выполняется соотношение между энергией и импульсом р = Е/с. Так виртуальные фотоны могут иметь массу и даже находиться в состоянии покоя. Соотношения неопределённостей квантовой механики допускают кратковременное появление виртуальных частиц.
Электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами осуществляется обменом одним или несколькими виртуальными фотонами. В роли переносчика электромагнитного взаимодействия фотон относится к классу, так называемых, калибровочных бозонов — носителей фундаментальных сил природы.

• Взаимодействие фотонов с веществом
• Классификация фотонов и мультипольные волныФотон как калибровочное поле
• Механизм взаимодействия частиц
• Взаимодействие фотона с электроном в квантовой электродинамике
• Фотоядерные реакции

Как фотоны воспринимают время?

У каждого есть мечта; я хотел бы дожить до рассвета, но знаю, что мне осталось менее трёх часов. Будет ночь, но это неважно. Умирать просто. Для этого не нужен свет. Так тому и быть: я умру при свете звёзд.
— Виктор Гюго

Перемещаясь со скоростью света, фотоны, испущенные Солнцем, достигают Земли примерно за 8 минут. Путь в 150 миллионов километров по пустому космосу – это не препятствие для света, но для нас это значит, что глядя на Солнце, мы видим его таким, каким оно было незадолго до этого, а не таким, какое оно в данный момент является. Если бы Солнце мгновенно исчезло прямо сейчас, мы не узнали бы об этом – ни из-за света, ни из-за гравитации – пока не прошли бы восемь минут. Но как это выглядит с точки зрения фотона? Известно, что если перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, включается СТО Эйнштейна, время замедляется, а длина уменьшается. Однако же фотоны двигаются со скоростью не близкой, а равной скорости света. И насколько же тогда стареет фотон, испущенный Солнцем, к тому времени, как он достигает Земли?

Сложно будет спорить с вами, если вы интуитивно ответите «на восемь минут». В самом деле, для нас этот фотон постарел настолько. Если прогулка в магазин длиною в 0,8 км занимает у вас восемь минут, и вы пошли в магазин, вы постарели на восемь минут. Если продавец заметил, что вы идёте в магазин, для него вы также постареете на восемь минут. И если бы мы просто придерживались ньютоновского определения времени – как абсолютной величины – это же было бы правдой для всего остального. Все и везде ощущали бы, что время идёт с одной скоростью в любых обстоятельствах. Но в этом случае скорость света не могла бы оставаться постоянной.

Представьте, что вы стоите на земле и светите фонарём в одном направлении, в котором на расстоянии в одну световую секунду находится объект. Теперь представьте, что вы бежите к этому объекту, светя тем же фонарём. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее, по вашему мнению, должен перемещаться и свет – со скоростью света, сложенной со скоростью вашего бега.

Почему это обязательно?

Представим, что у вас с собой часы, но не такие, в которых вращаются шестерёнки и перемещаются стрелки, а такие, в которых единственный фотон света отражается вверх-вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы покоятся, фотон перемещается вверх-вниз, и секунды идут как обычно. Но если часы двигаются, то как изменится ситуация?

Очевидно, время между отражениями увеличится, если скорость света будет оставаться постоянной. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и в любых условиях, то скорость света могла бы быть любой, тем выше, чем быстрее кто-либо двигался. Что ещё хуже, если бы кто-то, двигаясь очень быстро, повернул бы фонарик назад, мы бы увидели, что свет почти не двигается: он почти покоится.

Но свет так себя не ведёт, и не меняет свою скорость в вакууме ни в каких ситуациях, поэтому мы знаем, что такое представление неверно.

В 1905 Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности, отметив, что провал эксперимента Майкельсона-Морли, а также изменение длины и скорости течения времени можно объяснить, если скорость света в вакууме будет универсальной константой, с. Это значит, что быстро движущийся наблюдатель увидит, что он прошёл более короткую дистанцию и путешствовал меньше, чем это кажется покоющемуся наблюдателю.

Космический корабль Союз, пристыкованный к модулю МКС Пирс, вернёт на землю космонавтов, постаревших чуть меньше, чем если бы они оставались на земле, благодаря релятивистскому растяжению времени.

На самом деле, после вашего похода в магазин, благодаря теории относительности Эйнштейна, ваши часы – если бы они были идеально точными и изначально совпадали с часами продавца – почти на две наносекунды отставали бы относительно часов продавца. Эффекты относительности, хотя они в обычных условиях и малы, действуют всегда.

Причина в том, что предметы не просто двигаются в пространстве, и не только перемещаются вперёд во времени. Это происходит потому, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени.

Впервые до этого додумался один из учителей Эйнштейна, Герман Минковский в 1908 году, после чего он записал:

Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.

Работает это следующим образом: все и всё сущее всегда двигаются через пространство-время, и всегда определённым образом: вы перемещаетесь на определённое расстояние в пространстве-времени, неважно, с какой скоростью вы двигаетесь относительно всего остального.

Растяжение времени слева и сокращение расстояний справа показывают, как время кажется идущим медленнее, а расстояния – укорачивающимися, при приближении к скорости света.

Если с какой-то точки зрения вы двигаетесь в пространстве быстро, то по времени вы двигаетесь медленнее: поэтому путшествие в магазин отняло у вас на 2 наносекунды меньше, чем у продавца: вы двигались через пространство быстрее его, а значит, через время вы двигались медленнее. Если по пути в магазин вы будете двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света – около 99,9999999% от с – то для продавца прошло бы в 22 000 раз больше времени, чем для вас.

Памятуя обо всём этом, вернёмся к фотону. Он двигается не близко к скорости света, но точно со скоростью света. И все наши формулы при попытке описать поведение наблюдателя, движущегося со скоростью света, дают бесконечные ответы. Но бесконечность не обязательно означает ошибки физики – иногда она означает, что физика противоречит интуиции. Когда вы двигаетесь со скоростью света, то это значит, что:

• Вы в принципе не можете обладать массой. Если бы вы ею обладали, вы бы переносили бесконечное количество энергии. Вы обязаны быть безмассовым.
• Вы не воспримете ваше путешествие через пространство. Все расстояния по направлению вашего движения сократятся до точки.
• Вы не воспримете течение времени. Ваше путешествие покажется вам мгновенным.

Для наблюдателя на Земле свет испускается Солнцем за восемь (8:20) минут до того, как он его видит, и если бы мы могли наблюдать за путешествием фотона, он бы двигался со скоростью света всю дорогу. Но будь на борту этого фотона часы, для нас они бы показались остановившимися. Эти восемь минут для нас прошли бы как обычно, но фотон не воспринял бы течение времени.

Особенно это удивляет, когда обращаешься к удалённым галактикам Вселенной.

Свету, испущенному ими, требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, с точки зрения наблюдателя, находящегося в Млечном пути. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, и энергия испущенных фотонов заметно падает: происходит космологическое красное смещение. Но, несмотря на это удивительное путешествие, фотон вовсе не воспринимает того, что мы зовём временем: он просто испускается, а потом мгновенно поглощается, и всё путешествие происходит для него буквально мгновенно. Судя по всему, что нам известно, фотон вообще не стареет.

• Научно-популярное
• Физика

Что такое фотон, исторические факты, свойства, фото

То, что физики называют фотонами, другие люди могли бы просто назвать светом. Как кванты света, фотоны представляют собой наименьшие возможные пакеты электромагнитной энергии. Если вы читаете эту статью на экране или на странице, потоки фотонов несут образы слов к вашим глазам. В науке фотоны используются не только для освещения.

Полезные статьи:

«Они вездесущи», — говорит Ричард Руис, научный сотрудник Института ядерной физики в Кракове (Польша), и теоретик, ищущий новую физику на Большом адронном коллайдере. «Фотоны повсюду в физике элементарных частиц, поэтому о них почти забываешь». Фотон служил источником открытий на протяжении столетий, и сегодня он остается важным инструментом.

От волны к частице и к бозону

Люди исследовали природу света с древних времен, причем первые идеи пришли к нам от философов и ученых из Египта, Месопотамии, Индии и Греции. Между концом 17-го и началом 20-го веков ученые ходили туда-сюда, пытаясь ответить на один вопрос, в частности: ведет ли свет как частица или как волна.

Христиан Гюйгенс в 1690 году опубликовал свой трактат о свете « Traité de la Lumière» . В нем он описал свет как состоящий из волн, которые движутся через эфир, который, как считалось, пронизывает пространство.

Исаак Ньютон заявил в своей книге 1704 года «Оптика», что он не согласен. Когда свет отражается от поверхности, он действует как прыгающий мяч; угол, под которым он приближается к поверхности, равен углу, под которым он отскакивает. Ньютон утверждал, что это явление, среди прочего, можно было бы объяснить, если бы свет состоял из частиц, которые он назвал «корпускулами».

Пример. Стеклянная призма преломляет луч белого света в цвета радуги. Ньютон заметил, что когда свет затем снова преломлялся через вторую призму, он больше не делился; цвета радуги остались прежними.

Ньютон сказал, что это можно объяснить, если предположить, что белый свет состоит из множества различных корпускул разного размера. Красный свет состоял из самых больших тел, фиолетовый был составлен из самых маленьких. Ньютон сказал, что их разные размеры заставляли тельца протягиваться сквозь стекло с разной ускоренной скоростью. Это распространило их, создавая цветную радугу, которую нельзя было разделить дальше с помощью второй призмы.

Однако корпускулярная модель Ньютона имела существенный недостаток. Когда свет проходит через маленькое отверстие, он распространяется, как водная рябь. Корпускулярная модель Ньютона не могла объяснить такое поведение, а волновая модель Гюйгенса смогла. Тем не менее, ученые в целом были склонны отвергать Гюйгенса и слушать Ньютона — в конце концов, он написал «Начала» , одну из самых важных книг в истории науки.

Томас Янг в 1801 г. провел эксперимент с двойной щелью. В эксперименте Янг направил луч света через два маленьких отверстия, расположенных бок о бок, и обнаружил, что проходящий через них свет формирует определенный узор. Через равные промежутки времени пересекающиеся волны, исходящие из двух отверстий, мешали либо конструктивно — объединяясь, чтобы сделать свет ярче, — либо деструктивно — подавляя друг друга. Прямо как волны. Примерно пять десятилетий спустя другой эксперимент окончательно вывел модель Гюйгенса на первое место.

Леон Фокаль в 1850 г. сравнил скорость света в воздухе со скоростью света в воде и обнаружил, что, вопреки утверждениям Ньютона, свет не движется быстрее в более плотной среде. Вместо этого, как и волна, она замедлилась.

Джеймс Клерк Максвелл 11 лет спустя опубликовал «О физических силовых линиях» , в которой предсказал существование электромагнитных волн. Максвелл заметил их сходство со световыми волнами, что привело его к выводу, что это одно и то же. Казалось, что волновая модель Гюйгенса победила.

Макс Планк 1900 г. придумал идею, которая положила начало совершенно новой концепции света. Планк объяснил некоторые загадочные свойства излучения, описав энергию электромагнитных волн, разделенную на отдельные пакеты.

Альберт Эйнштейн в 1905 г. опирался на концепцию энергетических пакетов Планка и, наконец, разрешил спор корпускул и волн, объявив их равными. Ученый объяснил , что свет ведет себя и как частица, и как волна, причем энергия каждой частицы света соответствует частоте волны. Его свидетельство было получено в результате исследований фотоэлектрического эффекта — способа, которым свет выбивает электроны из металла. Если бы свет распространялся только непрерывной волной, то достаточно продолжительное воздействие света на металл всегда смещало бы электрон, потому что энергия, передаваемая электрону, со временем накапливалась бы. Но фотоэлектрический эффект так не работает.

Филипп Ленард в 1902 году заметил, что только свет с большей энергией — или световые волны выше определенной частоты — может оторвать электрон от металла. И казалось, что это произошло сразу же после контакта. В этом случае свет действовал больше как частица, отдельный пакет энергии.

Роберт Милликен , убежденный в волновой модели света, решил опровергнуть гипотезу Эйнштейна. Милликен тщательно измерил взаимосвязь между светом и электронами, участвующими в фотоэлектрическом эффекте. К своему удивлению, он подтвердил каждое предсказание Эйнштейна. Исследование фотоэлектрического эффекта Эйнштейном принесло ему единственную Нобелевскую премию в 1921 году.

Артур Комптон в 1923 году предоставил дополнительную поддержку модели света Эйнштейна. Комптон направил свет высокой энергии на материалы и успешно предсказал углы, под которыми электроны, высвобождаемые в результате столкновений, будут рассеиваться. Он сделал это, предположив, что свет будет действовать как крошечные бильярдные шары.

Гилберт Льюис, известный химик, придумал название для этих бильярдных шаров. В письме от 1926 г. в журнале «Nature» он назвал их «фотонами».

То, как ученые думают о фотонах, в последние годы продолжало развиваться. Во-первых, фотон теперь известен как «калибровочный бозон». Калибровочные бозоны — это частицы, несущие силу, которые позволяют частицам материи взаимодействовать посредством фундаментальных сил.

Атомы, например, слипаются, потому что положительно заряженные протоны в их ядрах обмениваются фотонами с отрицательно заряженными электронами, которые вращаются вокруг них — взаимодействие посредством электромагнитной силы. Во-вторых, фотон теперь рассматривается как частица, волна и возбуждение — что-то вроде волны в квантовом поле.

Квантовое поле, такое как электромагнитное поле, представляет собой вид энергии и потенциала, распространяющийся по всему пространству. Физики думают о каждой частице как о возбуждении квантового поля. «Мне нравится думать о квантовом поле как о спокойной поверхности пруда, где вы ничего не видите», — говорит Руис. «Затем вы кладете на поверхность камешек, и вода немного всплывает. Это частица».

Фотоны как инструмент

Радиоволны и микроволны; инфракрасный и ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все это свет, и все они состоят из фотонов.

Фотоны действуют повсюду вокруг вас. Они перемещаются по подключенным оптоволоконным кабелям для передачи сигналов Интернета, кабеля и сотовых телефонов. Они используются в переработке пластмасс, чтобы разбивать объекты на небольшие строительные блоки, которые можно использовать в новых материалах. Они используются в больницах в лучах, нацеленных на раковые ткани и разрушающих их. И они являются ключом ко всем видам научных исследований.

Фотоны необходимы в космологии: изучении прошлого, настоящего и будущего Вселенной. Ученые изучают звезды, исследуя излучаемое ими электромагнитное излучение, такое как радиоволны и видимый свет. Астрономы создают карты нашей галактики и ее соседей, визуализируя микроволновое небо. Они обнаруживают космическую пыль, которая закрывает им обзор далеких звезд, обнаруживая ее инфракрасный свет.

Ученые собирают сильные сигналы в виде ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-лучей, испускаемых энергетическими объектами из нашей галактики и за ее пределами. И они обнаруживают слабые сигналы, такие как слабый образец света, известный как космический микроволновый фон, который служит записью состояния Вселенной через несколько секунд после Большого взрыва. Фотоны также остаются важными в физике. В 2012 году ученые Большого адронного коллайдера обнаружили бозон Хиггса, изучив его распад на пары фотонов.

Донна Стриклед получила Нобелевскую премию по физике в 2018 году за свою работу по разработке ультракоротких высокоинтенсивных лазерных импульсов, сформированных из сильно сфокусированного света высокой энергии.

Машины, называемые источниками света, создают интенсивные пучки рентгеновских лучей, ультрафиолетового и инфракрасного света, чтобы помочь ученым разбить этапы самых быстрых химических процессов и исследовать материалы в деталях на молекулярном уровне.

Дженнифер Дионн говорит: «Во всем электромагнитном спектре фотоны могут предоставить нам столько информации о мире», доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета.

Дионн проводит исследования в области нанофотоники, области физики, в которой ученые управляют светом и изучают его взаимодействие с молекулами и наноразмерными структурами. Среди других проектов ее лаборатория использует фотоны для повышения эффективности катализаторов, веществ, используемых для запуска высокоэффективных химических реакций.

Некоторые физики даже ищут новые типы фотонов. Теоретические «темные фотоны» будут служить новым типом калибровочных бозонов, опосредуя взаимодействия между частицами темной материи. «Фотоны всегда полны сюрпризов, — говорит Дионн.

Теория Куо

Фотон может быть самой известной из элементарных частиц. Двигаясь со скоростью света, частицы ежедневно бомбардируют нас с Солнца, Луны и звезд. Более века ученые и инженеры использовали их в совокупности для освещения наших городов, а теперь и наших экранов.

Сегодня исследователи могут управлять фотонами с большей тонкостью, чем когда-либо прежде. В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде физик Паулина Куо создает и манипулирует фотонами индивидуально. Освещая специально разработанные кристаллы лазерным светом в своей лаборатории, Куо производит двойные фотоны, которые она может разделить на одиночные фотоны. Направляя их к определенным материалам, которые поглощают частицу, создавая фотоны разных цветов, она может эффективно изменять цвет фотона, сохраняя при этом закодированную в нем информацию.

Например, она разработала кристалл, который удваивает частоту входного фотона, обеспечивая преобразование между красным и инфракрасным светом. «Вы можете соединить два фотона вместе или разделить один фотон на два», — говорит она. «Или даже процессы более высокого порядка. Вы можете объединить три фотона в один или разделить один фотон на три». В дополнение к этим методам она использует современные детекторы одиночных фотонов, сделанные из сверхпроводящих проводов, которые становятся несверхпроводящими, когда поглощают одиночный фотон. Эти типы детекторов обеспечивают высокоточный подсчет, обнаруживая фотоны с эффективностью до 99 процентов.

Эта однофотонная технология станет основой будущего квантового Интернета, предлагаемой глобальной сети устройств для передачи данных, закодированных в одиночных фотонах и других квантовых частицах. Эти данные будут представлены в квантовых свойствах частицы, таких как поляризация фотона. В отличие от классических данных, которые могут быть представлены только как 0 или 1, так называемая квантовая информация принимает значения, которые представляют собой взвешенные комбинации 0 и 1, что позволяет использовать новые, потенциально более мощные вычислительные алгоритмы и новые протоколы шифрования.

По словам Куо, для квантового Интернета существует множество технических проблем, таких как проблемы с потерей сигнала. Но исследователи — и их правительства — строят амбициозные планы. В 2016 году Европейский Союз начал инициативу по квантовым технологиям стоимостью 1 миллиард евро. В августе этого года в США было создано пять центров квантовых исследований для ускорения развития квантовых технологий, и в течение следующих пяти лет было обещано до 625 миллионов долларов. Физик Пан Цзянь-Вэй, который руководил запуском в 2016 году китайского спутника квантовой технологии стоимостью 100 миллионов долларов и его последующих проектов, описал цель создания глобального квантового Интернета к 2030 году.

Многие эксперты назвали нынешнюю эру однофотонной технологии «второй квантовой революцией», сдвигом парадигмы, когда ученые не только понимают противоречащие интуиции принципы квантовой механики — запутанность, суперпозицию и дуальность волна-частица, но могут использовать их в технологии. Фотон больше не просто объект изучения, а инструмент.

Так что же такое фотон? Куо дает круговой ответ. «Фотон — это щелчок, регистрируемый однофотонным разрешающим детектором», — говорит она.

Для описания фотона использовались более расплывчатые слова, чем у Куо. Это волна и частица света, или это квантование электромагнитного поля. Или «Заткнись и посчитай» — фраза, знакомая каждому, кто ломал голову над квантовой механикой.

Определение фотона, основные свойства

Фотон — это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью ко всем наблюдателям 2,998 x 10 8 м / с. Это обычно называется скоростью света и обозначается буквой «С».

Основные свойства фотона

• нулевая масса и энергия покоя. Они существуют только как движущиеся частицы;
• это элементарные частицы, несмотря на отсутствие массы покоя;
• нет электрического заряда;
• стабильны;
• это частицы со спином 1, что делает их бозонами;
• несут энергию и импульс, зависящие от частоты;
• могут взаимодействовать с другими частицами, такими как электроны, например эффект Комптона;
• они могут быть разрушены или созданы многими естественными процессами, например, при поглощении или испускании радиации;
• в пустом пространстве движутся со скоростью света.Как выглядит фотон

Фотон в современном мире

Фотоны часто называют энергетическими пакетами. Это очень подходящая аналогия, поскольку фотон содержит энергию, которую нельзя разделить. Эта энергия хранится в виде колеблющегося электрического поля. Эти поля могут колебаться практически с любой частотой. Хотя они никогда не наблюдались, самая длинная теоретическая длина волны света равна размеру Вселенной, а некоторые теории предсказывают, что самая короткая из возможных — это длина Планка. Эти пакеты энергии могут передаваться на огромные расстояния без уменьшения энергии или скорости. Фотоны движутся со скоростью света, 2.997×10 8 м / с в пустом пространстве. Скорость фотона в пространстве может быть напрямую получена из скорости электрического поля в свободном пространстве. Максвелл представил это доказательство в 1864 году. Хотя фотоны не имеют массы, у них есть наблюдаемый импульс, который следует уравнению де Броля. Импульс фотонов приводит к интересным практическим приложениям, таким как оптический пинцет.

Вообще говоря, фотоны обладают свойствами, аналогичными электромагнитным волнам. У каждого фотона есть длина волны и частота. Длина волны определяется как расстояние между двумя пиками электрического поля с одним и тем же вектором. Частота фотона определяется как количество длин волн, на которое фотон распространяется каждую секунду.

В отличие от электромагнитной волны, фотон не может быть цветным. Вместо этого фотон будет соответствовать свету данного цвета. Поскольку цвет определяется способностями человеческого глаза, отдельный фотон не может иметь цвет, потому что он не может быть обнаружен человеческим глазом. Чтобы сетчатка могла обнаруживать и регистрировать свет определенного цвета, на нее должны воздействовать несколько фотонов. Цвет можно воспринимать только тогда, когда множество фотонов действуют на сетчатку в унисон в виде электромагнитной волны.

Как описано уравнениями Максвелла

Наиболее точное описание природы фотонов дает уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла математически предсказывают, как фотоны движутся в пространстве. По сути, электрическое поле, испытывающее поток, создает ортогональное магнитное поле. Затем поток магнитного поля воссоздает электрическое поле. Создание и разрушение каждой соответствующей волны позволяет паре волн перемещаться в пространстве со скоростью света. Уравнения Максвелла правильно описывают природу отдельных фотонов в рамках квантовой динамики.

Создание фотонов

Фотоны можно генерировать разными способами. В этом разделе мы обсудим некоторые способы испускания фотонов. Поскольку фотоны представляют собой электрическое поле, распространяющееся в пространстве, испускание фотонов требует движения заряженных частиц.

Излучение черного тела

Когда вещество нагревается, атомы внутри него колеблются с более высокими энергиями. Эти колебания быстро изменяют форму и энергию электронных орбиталей. Когда энергия электронов изменяется, фотоны испускаются и поглощаются с энергиями, соответствующими энергии изменения. Излучение черного тела — это то, что заставляет лампочки светиться, а тепло объекта ощущается с большого расстояния. Упрощение объектов до черных тел позволяет косвенно рассчитывать температуру удаленных объектов. Астрономы и кухонные инфракрасные термометры используют этот принцип каждый день.

Спонтанное излучение

Фотоны могут испукаться спонтанно, когда электроны переходят из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией (обычно в основное состояние). Технический термин для этого падения энергии — релаксация. Электроны, испускающие этот тип излучения, будут производить очень характерный набор фотонов в зависимости от доступных уровней энергии в их среде. Этот набор возможных фотонов является основой для спектра излучения.

Флуоресценция

Цветение — это частный случай спонтанного излучения. При флуоресценции энергия испускаемого фотона не соответствует энергии, используемой для возбуждения электрона. Электрон будет флуоресцировать, когда он теряет значительное количество энергии в окружающую среду, прежде чем подвергнуться релаксации. Обычно флуоресценцию используют в лабораторных условиях для визуализации присутствия целевых молекул. Ультрафиолетовый свет используется для возбуждения электронов, которые затем излучают свет в видимых длинах волн, которые могут видеть исследователи.

Вынужденная эмиссия

Возбужденный электрон можно искусственно заставить релаксировать в более низкое энергетическое состояние с помощью фотона, уравновешивающего разницу между этими энергетическими состояниями. Фаза и ориентация электрического поля результирующего фотона, а также его энергия и направление будут идентичны падающему фотону. Говорят, что свет, производимый вынужденным излучением, когерентен, поскольку он во всех отношениях похож на вызвавший его фотон. Лазеры производят когерентное электромагнитное излучение за счет вынужденного излучения.

Синхротроны (изгиб электронов)

Электроны с чрезвычайно высокой кинетической энергией, например, в ускорителях частиц, будут производить фотоны высокой энергии при изменении их пути. Это изменение осуществляется сильным магнитным полем. Таким образом, все свободные электроны будут излучать свет, но синхротронное излучение имеет особое практическое значение. Синхротронное излучение в настоящее время является наилучшей доступной технологией для получения направленного рентгеновского излучения с точными частотами.

Ядерный распад

Некоторые типы радиоактивного распада могут включать высвобождение фотонов высокой энергии. Один из таких типов распада — ядерная изомеризация. При изомеризации ядро ​​перестраивается в более стабильную конфигурацию и испускает гамма-лучи. Хотя это только теоретически, распад протона также будет излучать фотоны чрезвычайно высокой энергии.

Фотоэлектрический эффект

Свет, падающий на металлическую пластину, может вызвать отрыв электронов от поверхности пластин. Это взаимодействие между светом и электронами называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэлектрический эффект стал первым убедительным доказательством того, что лучи света состоят из квантованных частиц.

Энергия, необходимая для выброса электрона с поверхности металла, обычно того же порядка величины, что и энергия ионизации. Поскольку металлы обычно имеют энергию ионизации в несколько электрон-вольт, фотоэлектрический эффект обычно наблюдается при использовании видимого света или света еще более высокой энергии.

Фотоэлектрический эффект имеет множество практических применений, так как ток может генерироваться источником света. Обычно фотоэлектрический эффект используется в переключателях, реагирующих на свет. Некоторые примеры — ночники и фотоумножители. Обычно ток настолько мал, что его необходимо усилить, чтобы он работал эффективно.

Энергия фотона

Энергия фотона — это дискретная величина, определяемая его частотой. Этот результат можно определить экспериментально, исследуя фотоэффект. Кинетическая энергия испускаемого электрона напрямую зависит от частоты падающего света. Если экспериментальные значения этих энергий сопоставить с линией, то наклон этой линии будет постоянной Планка. Точка, в которой электроны начинают испускаться с поверхности, называется пороговой частотой.

Принцип сохранения энергии гласит, что вся энергия фотона должна куда-то уходить. Предполагая, что начальная энергия, необходимая для отрыва электрона от его орбитали, кинетическая энергия фотона равна кинетической энергии испускаемого электрона плюс энергия ионизации.

Фотонная интерференция

В то время как эксперимент с двойной щелью первоначально показал, что луч света был волной, более продвинутые эксперименты подтверждают, что электрон является частицей с волнообразными свойствами. Наблюдается дифракция луча света через двойную щель, которая дифрагирует, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию. Современные технологии позволяют испускать и детектировать одиночные фотоны. В эксперименте, проведенном Филиппом Гранжье, одиночный фотон пропускают через двойную щель.

Затем фотон обнаруживается на другой стороне щелей. Для большого размера выборки можно определить тенденцию в конечном положении фотонов. Согласно волновой модели света, интерференционная картина будет наблюдаться по мере того, как фотон снова и снова разделяется, образуя картину.

Однако результаты не согласуются с волновой моделью света. Каждый испускаемый фотон соответствует однократному детектированию на другой стороне щелей. С определенной вероятностью каждый фотон детектируется на 100%. В ходе серии измерений фотоны создают ту же интерференционную картину, которую ожидает пучок фотонов. Когда одна щель закрыта, интерференционная картина не наблюдается, и каждый фотон движется по линейному пути через открытую щель.

Эта интерференция имеет глубокое значение: фотоны не обязательно взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину. Вместо этого они взаимодействуют и мешают себе. Кроме того, это показывает, что электрон не проходит через одну или другую щель, а скорее проходит через обе щели одновременно. Теория квантовой электродинамики Ричарда Фейнмана объясняет это явление, утверждая, что фотон будет путешествовать не одним путем, а всеми возможными путями во Вселенной.

Интерференция между этими путями даст вероятность того, что фотон пойдет по любому заданному пути, поскольку большинство путей взаимно компенсируются. Он использовал эту теорию для объяснения природы широкого диапазона действия фотонов, такого как отражение и преломление, с абсолютной точностью.

Как выглядит фотон

Вы когда-нибудь задумывались, какую форму имеет фотон? Ученые размышляли над этим вопросом десятилетиями, и, наконец, в 2016 году польские физики создали первую в истории голограмму одиночной легкой частицы. Команда Варшавского университета создала голограмму, одновременно направив два световых луча на светоделитель, сделанный из кристалла кальцита. Светоделитель похож на перекресток светофора, поэтому каждый фотон может либо пройти прямо, либо сделать поворот. Когда фотон сам по себе, все пути равновероятны, но чем больше фотонов задействовано, тем больше они взаимодействуют, и шансы меняются.

Если вам известна волновая функция одного из фотонов, можно определить форму второго по положению вспышек, появляющихся на детекторе. полученное изображение немного напоминает мальтийский крест, точно так же, как волновая функция, предсказанная из уравнения Шредингера.