99,99% видимой нами Вселенной описывается фундаментальным взаимодействием электромагнетизма. Проще говоря, все, что мы наблюдаем, с чем сталкиваемся и что воспринимаем, является проявлением электромагнетизма. Другими словами, все эти процессы можно свести к двум частицам - электронам и фотонам, которые являются носителями электромагнитных волн.
Термин "фотон" вошел в обиход физиков и лириков примерно через 20 лет после того, как существование этой частицы было теоретически предсказано. В 1905 году Альберт Эйнштейн представил свету это открытие. Максвелл в конце XIX века разработал очень элегантный и общепонятный метод объяснения всех явлений в уравнениях электрического, магнитного и электромагнитного взаимодействия.
Это согласуется с результатами различных предыдущих экспериментов, включая существование интерференции и дифракции, что было продемонстрировано Юнгом Например, энергия, которую несет луч света, зависит от его силы. Другими словами, предположим, что в левом кармане у вас лежит фонарик со слабой лампочкой, а в правом - фонарик с сильной лампочкой! Поздравляем! У вас два фонарика с лампочками! Да так. Это означает, что световая энергия второго фонарика больше, чем первого. И это единственное, что определяет процессы, происходящие со светом. Вещи, которые никак не складывались тоже были и это в итоге привело к квантовой физике. Уже в начале XX века было известно, что при освещении определенного куска металла светом из него могут вылетать электроны. Другими словами, свет генерирует электричество. Отсюда и название этого эффекта. Согласно Эйнштейну, свет состоит из точечных частиц, называемых "световыми квантами".Эти частицы обладают определенной энергией, которая зависит только от частоты света (чем выше частота, тем больше энергия каждого кванта). Это означает, что кванты синего света обладают большей энергией, чем кванты красного света. Лампы накаливания очень мощные, потому что они излучают много световых квантов. Однако энергия каждого из них соответствует его цвету. Поэтому фотоэлектрический эффект зависит не от мощности лампочки, а от длины волны световых квантов. В красных лампах световой эффект не возникает, поскольку фотоны недостаточно заряжены. Однако, когда фонарик излучает синий свет, световой эффект возникает. Даже если фонарик светит не так ярко, каждый яркий фотон извлекает электрон. Хм... Вроде бы все логично.
Кстати, это объяснение "кванта света" было написано в том же году, что и статья о броуновском движении и специальной теории относительности, за которую Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году.
Название "фотон", предложенное Гилбертом Н. Льюисом в 1926 году, представляет собой сочетание греческого слова "свет" с окончанием "-он", которое использовалось для обозначения электронов. Другими словами, фотон - это "частица света". Фотоны в стандартной модели частиц являются бозонами. То есть он имеет целое число спинов (для фотона 1). Это означает, что фотон не является составной частью материи, а является переносчиком взаимодействий между частицами. Кроме того, поскольку фотоны являются бозонами, они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно поэтому возможны фотонные лазеры. А электронный лазер создать невозможно. Если фотоны не имеют ни заряда, ни массы, то чем же они, собственно, обладают? Если говорить упрощенно, то это энергия, своего рода свойство. Фотоны обладают энергией и могут передавать ее атомам, например, сталкиваясь с ними. Помните, как вы лежите на пляже и солнечные лучи согревают вас? Фотоны, достигающие вас, заставляют атомы вибрировать быстрее и нагревают их.Кроме того, фотоны обладают импульсом. Это означает, что они могут толкать объекты. Например, в некоторых конструкциях космических аппаратов используются "солнечные паруса", которые выталкиваются лазерами. Согласно квантовой теории, при электрическом или магнитном взаимодействии две частицы обмениваются фотонами. Если два заряда отталкиваются друг от друга, то это не происходит мгновенно. Фотон, вызывающий отталкивание, должен двигаться от одного заряда к другому со скоростью света. Фотоны всегда движутся в вакууме со скоростью света, для них не существует времени. Интересный эффект фотонов заключается в том, что несмотря на то, что они не имеют массы, они изменяют массу системы, которая их излучает или поглощает. Некоторые фотоны имеют очень большое время жизни (измеряемое, конечно, "извне"), например, фотоны, излучаемые звездами, которые существуют во Вселенной миллиарды лет. Другие имеют очень короткое время жизни, как, например, фотоны, излучаемые вашим телом в данный момент (инфракрасные фотоны). Если стена комнаты, в которой вы находитесь, находится на расстоянии нескольких метров от вас, то время жизни фотона составляет всего около 0,00000001 секунды. После этого они снова исчезают. Инфракрасные фотоны чрезвычайно вредны. Если их количество достаточно велико, они могут даже вызвать ожоги. Тепло, которое вы ощущаете, когда греете руки у камина, - это инфракрасные фотоны. Еще более опасно ультрафиолетовое излучение. Каждое из них обладает такой энергией, что может легко "разрушить" нуклеиновые кислоты в ДНК и вызвать рак. В этом заключается одна из опасностей гамма-излучения (которое еще более энергично, чем рентгеновское, и также вызывает рак). Все химические реакции являются результатом электрических взаимодействий (т.е. обмена фотонами). То же самое можно сказать и о силах, заставляющих вас ходить. Фотоны есть везде!
Однако энергия типичного фотона в видимом свете составляет около 0,00000000000000001 Дж, поэтому мы не осознаем, что фотоны действительно существуют.
Фотон сфотографирован одновременно как частица и волна
Первый снимок фотонов в реальном времени.
Так как фотоны очень маленькие и движутся со скоростью света, то казалось, что их невозможно сфотографировать. Однако это удалось международной группе исследователей, которые специально для этого спроектировали самую быструю УФ-камеру в мире, способную фиксировать сверхбыстрые события, длящиеся всего лишь пикосекунду.
Устройство получило название UV-CUP. CUP — это новая технология визуализации, которая используется для захвата сверхбыстрых событий со скоростью, измеряемой триллионами кадров в секунду. Однако до сих пор она ограничивалась видимыми длинами волн и длинами волн ближнего инфракрасного диапазона.
Команде физиков пришлось разработать специальный фотокатод и интегрировать его в так называемую полосовую камеру — устройство, спроектированное специально для измерения сверхбыстрых оптических явлений. Также в процесс интегрировали новый алгоритм для извлечения данных и построения из них изображения.
На фото визуальная проекция УФ-импульсов, показывающая движение фотонов в реальном времени. Скорость обработки изображений составила 0,5 триллиона кадров в секунду.
