Фотоны элементарные частицы, ответственные за перенос энергии. Вся энергия, поступающая на Землю от Солнца и самых далёких звёзд, доставлена фотонами. Фотоны также способны переносить тепловую энергию от горячих тел к холодным. Дневной свет, который позволяет нам видеть окружающий нас мир, это не что иное, как бесконечные потоки фотонов. Фотоны самые распространённые частицы во вселенной. В то же время, фотоны одни из самых загадочных и даже парадоксальных частиц.
Во-первых, они обладают корпускулярно-волновым дуализмом – т.е. одновременно являются частицами и волнами. Такого не позволяют себе никакие другие частицы. Во-вторых, они виртуальны – т.е. не имеют массы покоя. Виртуальных частиц в квантовой физике достаточно много, но из всех виртуальных частиц только фотоны могут существовать как угодно долго, перемещаться как угодно далеко и при этом они ещё умудряются переносить энергию. В-третьих, фотоны можно попарно связывать или запутывать – т.е. если спин одного фотона из связанной пары примет значение минус 1, то спин второго мгновенно примет значение плюс 1, как бы далеко друг от друга не находились в этот момент два спутанных фотона. Спин это квантовое свойство любых элементарных частиц, характеризующее их способность принимать симметричные (неотличимые друг от друга) позиции в пространстве – т.е. поворачиваться или вертеться, примерно так, как вертятся девушки перед зеркалом. Наверное, можно отыскать и другие экзотические свойства фотонов, но и перечисленных выше вполне достаточно, чтобы задуматься – а не слишком ли сложно устроены элементарные частицы.
Может быть, разработчики квантовой теории поля, увлекшись красотой математического аппарата квантовой электродинамики, немного перемудрили с калибровочными полями и Комптоновскими эффектами.
Новая теория квантовой электродинамики потребовалась для описания электромагнитных взаимодействий элементарных частиц по одной единственной причине. Классическая электродинамика, считающая свет однородным изотропным электромагнитным излучением, не смогла объяснить такие важные процессы, наблюдаемые в практических экспериментах, как излучение и поглощение фотонов атомами, тепловое излучение нагретых тел, взаимодействие фотонов друг с другом и с другими элементарными частицами. А самое главное, хорошо изученный фотосинтез – эта основа основ всей органической химии, биологии, ботаники, а по большому счёту всего живого на Земле, ну ни как не вписывался в теорию классической электродинамики. Вот тогда то и был придуман этот хитрый компромисс, согласно которому фотон с одной стороны это электромагнитная волна, а с другой - частица, переносящая квант энергии, но не имеющая массы покоя. Компромиссы в науке – не всегда хорошее дело!
Для того чтобы надёжно и математически строго объяснить фотосинтез А. Эйнштейн использовал термин - световой квант или порция света, которая поглощается в процессе фотосинтеза и излучается при теплообмене. Т.е. по сути, предложил считать свет потоком частиц - корпускул, которым чуть позже с подачи американского учёного Г. Льюса было дано название фотоны. На момент публикации работ о корпускулярности света, напомню, это было в начале 20-го столетия, авторитет Максвелла среди учёных был непререкаемым, а его теория электромагнитной природы света считалась единственно верной. Думаю, именно по этой причине было предложено компромиссное решение в виде корпускулярно-волнового дуализма света, запрещающего иметь таким частицам массу в состоянии покоя. Т.е. молодому Эйнштейну элементарно не хватило смелости отстаивать свою идею перед маститыми научными авторитетами того времени. Это моё предположение. Как было на самом деле в начале 20-го века нам уже трудно судить, но сегодня, в начале 21-го, мы имеем охраняемую, уже авторитетом Эйнштейна, «священную корову» в виде квантовой электродинамики, в которой уверенно обосновалась элементарная виртуальная частица – фотон. Эта безмассовая частица, переносящая энергию, одновременно является поперечной электромагнитной волной, распространяющейся в вакууме. То, что квантовая электродинамика прекрасно работает пока оперирует светом как потоком частиц и начинает сбоить всякий раз, когда пытается учесть волновую природу фотонов, считается объективной неизбежностью. Мол, природа элементарных частиц по определению очень сложна и здесь уж ничего не поделаешь. Так устроен мир элементарных частиц. Трудно согласиться с таким фатализмом с точки зрения обычного здравого смыслы. Поэтому, давайте попытаемся найти более простые объяснения уникальным способностям фотонов.
Физический энциклопедический словарь утверждает, что
"энергия это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить из одной формы в другую. Понятие энергия связывает воедино все явления природы."
Вроде бы всё предельно ясно и понятно. При взаимодействии любых материальных тел, энергия может переходить из одного состояния в другое, но не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда. Но как тогда нематериальный фотон переносит энергию от одного материального объекта к другому? Например, от Солнца к Земле. Парадокс!
Давайте на минуту допустим, что фотон всё-таки имеет массу покоя. Что принципиально изменит такое допущение в современной квантовой физике? Во-первых, фотон сразу лишится своего дуализма. Массивная частица ни при каких обстоятельствах не может быть волной. Во-вторых, станет не нужным теоретическое обоснование эффекта Комптона. Частицы, в отличии от волны, имеют право менять свою частоту при взаимодействии друг с другом. Сможет ли пережить такую трансформацию фотонов квантовая электродинамика? Легко! Из такого допущения следует очень простой логический вывод. Материальные фотоны, банально, должны где то размещаться. Т.е. какие то «массивные» элементарные частицы, такие как протоны, нейтроны, электроны должны перестать быть элементарными и включить в себя более элементарные фотоны. Какая из перечисленных элементарных (неделимых) частиц способна на это? Из экспериментальной физики хорошо известно, что в результате так называемых β-распадов нейтроны способны превращаться в протоны, а протоны в нейтроны. Такие превращения всегда сопровождаются излучением электронов или позитронов. Электроны и позитроны это электрические антиподы, обладающие одинаковой массой, но разноимёнными зарядами. Такие превращения косвенно указывают на то, что нуклоны не элементарные частицы, а составные и в состав нейтронов и протонов должны входить электроны и позитроны. Поэтому остановим свой выбор на более мелких «элементарных» частицах. Пусть электроны и позитроны будут вместилищем фотонов, которые должны излучаться при выделении энергии и поглощаться при её потреблении. Причём, такие фотоны просто обязаны иметь массу покоя, потому что только благодаря этому они приобретают способность переносить энергию от одного материального объекта к любому другому, не нарушая фундаментальных законов природы. Но если массивный фотон переносит энергию между материальными объектами, то он обязательно должен изменять массу этих материальных объектов. Пусть это вам покажется случайным совпадением, но в современной ядерной физике описан некий эффект под названием «дефект масс». Этот эффект заключается в том, что допускает превращение массы в энергию при термоядерном синтезе и других взаимодействиях таких «элементарных» частиц как нуклоны. Основан он (эффект дефекта масс) на экспериментальных данных, подтверждающих, что при взаимодействии нуклонов друг с другом у них наблюдается незначительное изменение массы. Например, масса нуклонов дейтерия и водорода до слияния в ядро гелия-3 больше массы нуклонов ядра гелия-3. Такие данные подтверждают правоту нашего предположения о наличии массы у фотонов. Т.е. нуклоны и другие элементарные частицы, обмениваясь друг с другом фотонами, не только излучают или поглощают энергию, но и передают друг другу часть своей массы.
Но если всё обстоит именно так, и фотоны действительно обладают собственной массой покоя, то они должны радикально изменить массу наблюдаемой во вселенной материи. Ведь фотоны, как известно, самые распространённые частицы. И наша вселенная, в таком случае, буквально переполнена этой светлой материей!
