Фотоны самые многочисленные частицы во вселенной. При этом у фотонов много парадоксальных свойств – они элементарны, но могут размножаться, они виртуальны, но переносят энергию, они одновременно могут быть электромагнитной волной и частицей, более того они могут быть даже квантово запутанными частицами. Они перемещаются со скоростью света и никакие другие частицы не могут двигаться быстрее фотонов.
Согласно специальной теории относительности эти частицы существуют, только пока движутся. Стоит им по какой-либо причине остановиться, они тут же бесследно исчезают. Но вот вопрос – откуда фотоны получают первоначальный импульс движения? Что заставляет их сразу после рождения двигаться со скоростью света? Конечно, виртуальность фотонов, декларированная специальной теорией относительности, позволяет им двигаться с любой скоростью. Так как объект, лишённый массы, не подчиняется законам инерции и может ускоряться и замедляться мгновенно. Но в этом случае неизбежно возникают неудобные вопросы о нарушении такими частицами фундаментальных законов природы. Например, как виртуальные частицы переносят энергию? Или как частицы, не имеющие массы, могут оказывать давление на материальные объекты? Самый трудный вопрос в этом случае возникает по поводу предела скорости движения таких виртуальных частиц. Почему она ограничена 300 000 км/с? Скорость нематериальных объектов ни чем не ограничена. Чисто теоретически, они могут двигаться сколько угодно быстро. Хоть в 10, хоть в 100, хоть в 1000 раз быстрее скорости света. Согласно знаменитой формуле Е = mc^2 при массе равной нулю, скорость становится бесконечной. Чтобы не сталкиваться с такими неудобными вопросами, СТО предложила считать фотоны частицами, у которых нет массы только в состоянии покоя. Т.е. у неподвижных фотонов масса равна нулю, а у движущихся в пространстве фотонов масса равна отношению постоянной Планка к произведению длины волны фотона на скорость света.
Какой физический смысл скрывается за этим релятивистским компромиссом сказать трудно. Но так как неподвижных фотонов никто в мире ещё не наблюдал, то с практической точки зрения такое решение проблемы оказалось вполне приемлемым. СТО сохранила лицо и заняла в современной физике место основной рабочей теории, описывающей движение тел с релятивистскими скоростями. Де-факто это означает, что во всех практических расчётах, основанных на СТО, фотон участвует как массивная частица. И это правильно! Потому что иначе такие физические явления как фотосинтез, гравитационное линзирование, перенос энергии фотонами от одного объекта к другому, или давление света на солнечные панели космического аппарата объяснить невозможно.
Мы с вами, уважаемые читатели, попытаемся обосновать наличие массы у фотона и тем самым не только де-факто, но и де-юре переместить фотон из ряда виртуальных безмассовых частиц в число реальных физических частиц, обладающих собственной массой. И поможет нам в этом скорость света. Для начала давайте зададимся простым вопросом – что на самом деле может ограничивать скорость движения элементарной частицы в вакууме? Упоминаемая уже выше формула Е = mc^2 однозначно связывает скорость любого материального объекта с его массой и энергией. Чем больше энергия и чем меньше масса, тем больше скорость. Но ведь количество энергии, прилагаемой к любому физическому объекту, не может быть бесконечным. Совершенно очевидно, что энергия любого материального тела ограничена энергией его внутренних связей. При достижении этой энергией некоторого порогового значения, превышающего величину энергии внутренних связей, любое физическое тело начнет необратимо разрушаться и при дальнейшем росте энергии, неизбежно распадётся на молекулы, атомы, нуклоны, электроны и т.д. Таким образом, знаменитое уравнение Эйнштейна налагает ограничение не на абстрактную скорость, а только на скорость материальных тел. И из этой формулы вытекает очень простое следствие - чем меньше масса тела, тем с большей скоростью оно может двигаться в пространстве без разрушения своей внутренней структуры. Т.е. скорость света является предельной для частиц света – фотонов только в том случае если они обладают вполне определённой массой. Какой? Это мы и попытаемся выяснить. Итак, нам известна скорость фотонов в вакууме. Она составляет 299 792 458 м/с. Если мы с вами окончательно перешли на платформу диалектического материализма и чтим законы сохранения, то должны однозначно понимать, что фотоны, обладающие массой покоя, не могут приобрести такую скорость мгновенно. Следовательно, фотоны ещё до своего рождения должны двигаться с этой скорость. Как это может быть? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо определиться с другим принципиальным вопросом – откуда появляются фотоны, или если угодно, как они рождаются? Так как варианты с рождением фотонов из пустоты или чистой энергии мы отвергли, нам осталась единственно возможная альтернатива, в которой фотоны входят в состав каких-то иных более крупных материальных частиц. При этом, было бы неплохо определить, что это за частицы. Ближайшая по массе к фотону элементарная частица – это электрон. Теоретически протоны и нейтроны также могут рассматриваться в качестве потенциальных источников фотонов. Но с целым рядом допущений и оговорок, так как они почти в 2000 раз тяжелее электрона и предположение о том, что протон или нейтрон собран из фотонов, а электрон при этом остаётся элементарной и неделимой частицей, звучит, мягко говоря, сомнительно. Природа так не работает. Она очень скупа и последовательна в своих решениях. На примере строения атома мы можем легко в этом убедиться. Абсолютно все материальные объекты во вселенной собраны практически из одинаковых электронов, протонов и нейтронов. С этой точки зрения электрон лучший кандидат на частицу, состоящую из фотонов. Но, если электрон состоит из фотонов, то он априори теряет статус элементарной частицы. И это навевает определённые сомнения по поводу элементарности протонов и нейтронов, которые как уже указывалось выше в тысячи раз тяжелее электрона. Есть предположение, что протоны и нейтроны сами собраны из электронов и позитронов. Вполне возможно, что это правильное предположение, но это тема отдельного разговора. Возвращаясь к нашим фотонам, мы должны исходить из того, что рождение любого фотона это акт взаимодействия электрона с другим материальным объектом и не более того. Это утверждение хорошо согласуется с многочисленными наблюдениями экспериментальной физики. Благодаря которой нам известно, что фотоны формируются при бомбардировке электронами более крупных «элементарных» частиц. Либо при переходе электронов в составе атомного ядра с одного энергетического уровня на другой. В соответствии с этой гипотезой рождение любого фотона это не что иное, как тривиальная утрата (потеря) электроном этого фотона. Очевидно, что, теряя или излучая фотон, электрон вместе с массой этого фотона теряет и часть своей энергии. Это утверждение также очень хорошо подтверждено многочисленными экспериментами. Принимая во внимание все изложенные соображения, будем считать наличие фотонов в составе электронов доказанным фактом. Как в этом случае быть с электрическим зарядом электрона? Ведь фотоны электрически нейтральны и сколько их не собирай вместе всё равно не получишь даже минимальный электрический заряд. Резонное замечание, на которое необходимо дать понятный и исчерпывающий ответ. Ну что ж – попробуем. Природа электрического заряда электрона и позитрона современной науке до конца не ясна. Почему электрон имеет отрицательный заряд, а позитрон положительный - неизвестно. Неизвестна причина возникновения электрических зарядов и у других элементарных частиц, например, таких как протоны и антипротоны. Нет объяснений у современной науки и равенству величин зарядов электрона и протона при тысячекратной разнице масс этих частиц. В связи с этим будет вполне уместным озвучить собственную гипотезу, объясняющую возникновение электрических зарядов у таких частиц как электроны и позитроны. Краткая суть этой гипотезы заключается в том, что электроны и позитроны это материальные частицы с минимальной массой необходимой для обладания электрическим зарядом. Величина заряда определяется собственным вращением этих частиц, а направление вращения определяет знак их электрического заряда. Почему они вращаются, и что заставляет их вращаться в разные стороны можно узнать из другой моей статьи, рассматривающей эту проблему более детально.
Продолжая рассуждения о природе первоначальной скорости фотонов, мы постепенно приблизились к пониманию того, что отрыв фотона от электрона со скоростью света возможен только в одном единственном случае, если электрон имеет собственное вращение с угловой скоростью близкой к скорости света. Только такой быстровращающийся электрон позволяет существовать массивному фотону без нарушения законов сохранения. Чтобы найти угловую скорость вращения электрона нам придётся вспомнить школьную физику, и воспользоваться выражением, связывающим угловую скорость с линейной.
Подставляем вместо V скорость света, а вместо R радиус электрона и получаем:
Т.е. угловая скорость вращения электрона составляет примерно 10 в 26 степени оборотов в секунду. Вот это волчок!!!
Теперь представьте, что два таких волчка просто слегка коснутся друг друга краями. Результат такого столкновения – грандиозный фейерверк из колоссального количества свободных фотонов и полное разрушение обоих участников столкновения. К счастью такие события чрезвычайно маловероятны, по той причине, что все электроны имеют отрицательный электрический заряд. А одноимённые заряды, как нам хорошо известно, отталкиваются. Чего нельзя сказать про электроны и позитроны, которые в свободном состоянии притягивают друг друга и поэтому неизбежно сталкиваются. В результате такого столкновения они гарантированно взаимоуничтожаются или аннигилируют. При аннигилляции электрона и позитрона каждый из них выделяет по 0,551 КэВ энергии, что недвусмысленно указывает не только на полную эквивалентность их масс, но и банальную материальность обеих частиц. Т.е. позитрон это не экзотическая античастица – представитель загадочной антиматерии, а обычная материальная частица, вращающаяся в противоположном электрону направлении. Ну что ж, вот так, между делом, мы с вами только что раскрыли механизм аннигиляции, который, оказывается, не имеет никакого отношения к антиматерии, а всего лишь результат ДТП двух элементарных частиц с противоположными зарядами. Очень даже неплохо. Но вернёмся к нашим фотонам. Зная угловую скорость вращения объекта и его энергию, мы можем попытаться найти массу этого объекта. Здесь нам на помощь придёт второй закон Ньютона, согласно которому любой вращающийся материальный объект находится в равновесии на таком расстоянии R от центра вращения, на котором центробежная сила будет равна произведению массы этого объекта на его ускорение F = a * m (где линейное ускорение a связано с угловой скорость следующим выражением а = ω^2 * R). Следовательно, масса фотона может быть найдена как отношение центробежной силы к произведению квадрата угловой скорости на радиус электрона.
В этом выражении кроме искомой массы фотона, неизвестной величиной является центробежная сила, которая, с некоторыми оговорками, может быть вычислена через хорошо известные значения энергии фотона. С оговорками, потому что диапазон электромагнитного излучения имеет очень широкий спектр длин волн. Для каждого спектра характерна своя величина энергии. Если мы остановим свой выбор на видимом свете, то энергия фотона видимого света с длиной волны 0,5 мкм составляет 2,2 эВ. Отсюда величина центробежной силы для такого фотона равна 3,2* 10^-13 Н. Подставляем полученные данные в формулу и получаем следующее значение массы фотона видимого света:
Вот вам и ответ на вопрос, поставленный в заголовке статьи. Немного. А точнее - очень и даже очень мало! Хорошо это или плохо? О чём говорит нам такая масса фотона? В первую очередь это свидетельствует о том, что в составе электрона должно быть очень много фотонов. Зная массу фотона и электрона несложно подсчитать, сколько фотонов в штуках содержит один электрон.
Делим массу электрона на массу фотона и получаем цифру 10^29(десять в двадцать девятой степени) штук. Т.е. один электрон содержит примерно 100 октиллионов фотонов. Всё-таки прав был В.И. Ленин, когда говорил - «электрон так же неисчерпаем, как атом …».
Давайте подводить итоги. Первое – фотоны имеют массу покоя (правда, очень маленькую). Второе – они входят в состав электронов и вращаются вместе с ними с умопомрачительной угловой скоростью - примерно 100 септиллионов оборотов в секунду. Благодаря этим двум фактам фотоны, не нарушая никаких фундаментальных законов природы, в свободном состоянии могут перемещаться в пространстве со скоростью света.
Является ли фотон окончательной элементарной частицей, я затрудняюсь дать ответ. А что думаете вы по этому поводу, уважаемые читатели?
