Постоянные поиски интересных моментов, попытка познать окружающий мир, найти полезные знания для будущих проектов заставляют меня искать в интернете интересные материалы. Я задал простой вопрос: как течёт электрический ток по проводам, и вот я уже интересуюсь фотонами. Почему? Фотоны света - самое доступное электромагнитное излучение, которое мы воспринимаем без всяких приборов своими глазами.
Однако, при всей простоте человечеству потребовалось много времени, чтобы понять истинную природу света. Хорошо описан данный поиск в книге Сергея Ивановича Вавилова "Глаз и Солнце". Немного информации об авторе: Сергей Вавилов - советский физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, действительный член и президент АН СССР, общественный деятель и популяризатор науки, он младший брат Николая Ивановича Вавилова, советского учёного-генетика. Рекомендую почитать, очень интересная книга.
Но вернёмся к фотону, который продвигал целое столетие открытий и остается важным инструментом исследования и сегодня.
От волны к бозону, немного истории
Люди исследовали природу света с древних времен, причем ранние идеи исходили от философов и ученых Египта, Месопотамии, Индии и Греции. Между концом 17 и началом 20 веков ученые постоянно искали ответ на один вопрос, а именно: ведет ли себя свет как частица или как волна?
В 1690 году Христиан Гюйгенс опубликовал Traité de la Lumière, свой трактат о свете. В нем он описал свет как состоящий из волн, проходящих через эфир, который, как считалось, пронизывает пространство.
Исаак Ньютон заявил в своей книге «Оптика» 1704 года, что он не согласен с этим. 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».
Стеклянная призма преломляет луч белого света в радугу цветов. Ньютон заметил, что когда свет снова преломляется через вторую призму, он больше не разделяется, цвета радуги остаются прежними.
Ньютон сказал, что это можно объяснить, предположив, что белый свет состоит из множества различных корпускул разного размера. Красный свет состоял из самых больших корпускул, фиолетовый был составлен из самых маленьких. Ньютон сказал, что разные размеры корпускул заставляют их проходить через стекло с разной ускоренной скоростью. Это распределило их, создавая радугу цветов, которая не могла быть разбита дальше второй призмой.
Однако корпускулярная модель Ньютона имела существенный недостаток.
Когда свет проходит через маленькое отверстие, он распространяется точно так же, как рябь на воде. Корпускулярная модель Ньютона не могла объяснить такое поведение, а волновая модель Гюйгенса могла.
Тем не менее ученые, как правило, были склонны игнорировать Гюйгенса и слушать Ньютона — в итоге, он написал «Начала», одну из самых важных книг в истории науки.
Но модель Гюйгенса получила некоторую поддержку в 1801 году, когда Томас Юнг провел эксперимент с двумя прорезями. В ходе эксперимента Юнг направил луч света через два небольших отверстия, расположенных бок о бок, и обнаружил, что свет, проходящий через них, образует определенный узор. Через равные промежутки времени пересекающиеся волны, исходящие из двух отверстий, взаимодействовали либо созидательно — объединяясь, чтобы дать более яркий свет, — либо деструктивно — нейтрализуя друг друга. Так же, как волны.
Примерно пять десятилетий спустя другой эксперимент окончательно вывел модель Гюйгенса на первое место.
В 1850 году Леон Фуко сравнил скорость света в воздухе со скоростью света в воде и обнаружил, что, вопреки утверждениям Ньютона, в более плотной среде свет не движется быстрее. Вместо этого, подобно волне, он замедлился.
Одиннадцать лет спустя Джеймс Клерк Максвелл опубликовал книгу «О физических силовых линиях», в которой предсказал существование электромагнитных волн. Максвелл отметил их сходство со световыми волнами, что привело его к выводу, что это одно и то же.
Казалось, волновая модель Гюйгенса победила. Но в 1900 году Максу Планку пришла в голову идея, которая положила начало совершенно новой концепции света.
Планк объяснил некоторые загадочные свойства излучения, описав энергию электромагнитных волн как разделенную на отдельные связки. В 1905 году Альберт Эйнштейн опирался на планковскую концепцию энергетических связок, и, наконец, разрешил спор между корпускулами и волнами, объявив ничью.
Как объяснил Эйнштейн, свет ведет себя и как частица, и как волна, причем энергия каждой световой частицы соответствует частоте волны.
Его доказательства пришли из исследований фотоэлектрического эффекта — способа, которым свет выбивает электроны из металла. Если бы свет распространялся только непрерывной волной, то достаточно долгое освещение металла всегда приводило бы к смещению электрона, потому что энергия, переданная электрону светом, со временем накапливалась бы.
Но фотоэлектрический эффект так не работал. В 1902 году Филипп Ленард заметил, что только свет с определенной энергией или световые волны с большей частотой могут вырвать электрон из металла. И казалось, что это происходит при контакте, причем немедленно.
В этом случае свет действовал скорее как частица, отдельная связка энергии.
Все еще убежденный в волновой модели света, Роберт Милликен решил опровергнуть гипотезу Эйнштейна. Милликен тщательно измерил взаимосвязь между светом и электронами, участвующими в фотоэлектрическом эффекте. К своему удивлению, он подтвердил все предсказания Эйнштейна.
Исследование Эйнштейном фотоэлектрического эффекта принесло ему единственную Нобелевскую премию в 1921 году.
В 1923 году Артур Комптон предоставил дополнительную поддержку модели света Эйнштейна. Комптон направил высокоэнергетический свет на материалы и успешно предсказал углы, под которыми будут рассеиваться электроны, выпущенные в результате столкновений. Он сделал это, предполагая, что свет будет действовать как крошечные бильярдные шары.
Химик Гилберт Льюис придумал название для этих бильярдных шаров. В письме 1926 года в журнал Nature он назвал их «фотонами».
В последние годы представления ученых о фотонах продолжают развиваться. Например, фотон теперь известен как "калибровочный бозон".
Калибровочные бозоны — это частицы, переносящие взаимодействие, 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 то, что в себе соединяет свойства частиц, волн и возбуждения — что-то вроде волны — в квантовом поле.
Квантовое поле, такое как электромагнитное, представляет собой вид энергии и потенциала, разбросанных по всему пространству. Физики рассматривают каждую частицу как возбуждение квантового поля.
Фотоны как инструмент изучения мира
Радиоволны и микроволны, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, рентгеновские и гамма-лучи - все это свет, и все они состоят из фотонов разных энергий.
Фотоны действуют повсюду вокруг вас. Они путешествуют по подключенным волокнам для доставки интернет-, кабельных и мобильных телефонов. Они используются при вторичной переработке пластмасс, чтобы разбивать предметы на небольшие строительные блоки, которые можно использовать в новых материалах. Они используются в больницах, в лучах, которые нацелены на раковые ткани, чтобы разрушить их. И они являются ключом ко всем видам научных исследований.
Фотоны необходимы в космологии для изучения прошлого, настоящего и будущего Вселенной. Ученые изучают звезды, исследуя электромагнитное излучение, которое они излучают, такое как радиоволны и видимый свет. Астрономы составляют карты нашей галактики и ее соседей, создавая изображения неба в микроволновом диапазоне. Они обнаруживают космическую пыль, которая мешает наблюдать за далекими звездами, определяя ее инфракрасное излучение.
Ученые собирают сильные сигналы в виде ультрафиолетового излучения, рентгеновского и гамма-излучения, испускаемые энергетическими объектами из нашей галактики и за ее пределами. И они обнаруживают слабые сигналы, такие как слабый узор 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 на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, изучив его распад на пары фотонов.
Физики из России активно участвуют в работе на адронном коллайдере. Один из известных популяризаторов Дмитрий Игоревич Казаков, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН. Директор Лаборатории теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова. Если поискать, его можно найти ряд интересных лекций по квантовой теории поля и физики элементарных частиц.
Машины, называемые источниками света, создают интенсивные лучи рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного света, помогая ученым анализировать этапы самых быстрых химических процессов и исследовать материалы в деталях на молекулярном уровне.
Сами фотоны очень полезный инструмент для учёных практиков, в полном электромагнитном спектре фотоны могут предоставить нам много информации о мире.
Как пример исследования в интересной области нанофотоники, подобласти физики, в которой ученые контролируют свет и изучают его взаимодействие с молекулами и наноразмерными структурами. Также использование фотонов, для повышения эффективности катализаторов, веществ, используемых для запуска высокоэффективных химических реакций. Фотоны — это реагент в химии, учёные пытаются добавлением новых химических веществ, чтобы запустить определенную реакцию или контролировать температуру или pH раствора. С помощью света можно производить совершенно новое измерения и получить совершенно новые наборы инструментов для работы с веществом.
Некоторые физики даже ищут новые типы фотонов. Теоретические «темные фотоны» должны были служить калибровочными бозонами нового типа, опосредующими взаимодействия между частицами темной материи.
Также почитайте статью об антиматерии.
Подписывайтесь на мой Телеграм-канал https://t.me/konstruktor_ne_igrushka