Роль школьного образования невозможно переоценить. Практически все базовые понятия и представления о природе и окружающем мире закладываются в школе. Высшие учебные заведения только углубляют знания, делают их более обоснованными и систематизированными. Но если в школе я представлял себе неделю, как разворот дневника, то и сейчас ничего не изменилось, несмотря на обилие разнообразных гаджетов. Ещё в школе мне доходчиво объяснили, что свет – это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве со скоростью света. Чтобы было понятно, перед этим рассказали о механических волнах на поверхности воды и в твердых средах. На примере электрических цепей объяснили явления, происходящие в колебательном контуре. Поэтому картинка с двумя синусоидами электрического и магнитного полей прочно закрепилась в голове. И всякий раз, когда нужно представить фотон, неизменно из памяти всплывает эта картинка с синусоидами.
Затем уже в университете рассказали о теории Максвелла и его уравнениях, из которых следует, что свет – это поперечная электромагнитная волна. А опыты по фотоэффекту показали, что свет излучается и поглощается порциями, которые назвали фотонами или квантами. При этом энергия квантов определяется только частотой колебания электромагнитного поля. Поэтому, говоря о кванте света, имеют в виду электромагнитную волну с одним периодом колебаний. Кроме того, фотоны – это истинно нейтральные частицы, не имеющие заряда. Помимо этого, они не имеют массы покоя, но участвуют в гравитационном взаимодействии, что объясняется эквивалентностью энергии и массы в соответствии с ОТО. Следует отметить, что всё сказанное относится не только к свету, но и ко всем видам электромагнитного излучения. Такое представление о фотонах формирует современная физика.
Но то, что я смог это представить, не означает, что я смог это понять. Оставалось много вопросов, на которые я не находил ответов. Рассмотрим некоторые из них.
Вопрос о том, какова длина фотона, кажется самым простым. Поскольку известна скорость света, то зная частоту излучения легко можно рассчитать длину волны фотона. Видимый свет имеет длину волны порядка половины микрона, рентгеновское излучение намного короче, а радиоволны могут быть от сантиметров до многих метров.
Но так ли всё просто? Меня всегда интересовало, а можно ли взять и разделить эту волну? Дело в том, что чисто технически это возможно реализовать. Например, при генерации радиоволны после того, как волна начала излучаться с антенны, генератор отключился. Что будет с этой частичкой волны, если квант является неделимой порцией энергии? Она продолжит распространяться или исчезнет? Как она узнает о том, что генератор отключился? Аналогично можно поступить со световой волной, имеющей определённую поляризацию. В момент времени, когда часть фотона пройдёт через поляризационный фильтр, изменяем положение фильтра на 90 градусов. Оставшаяся часть фотона не сможет через него пройти. Что случится с уже прошедшей частичкой фотона?
Эти рассуждения привели меня к убеждению, что такого просто не может и не должно быть. Поэтому фотон нельзя рассматривать, как протяженную субстанцию. Фотон может быть только точечной частицей. Он не имеет длины. Кроме того, если материальный объект имеет какую-либо длину и двигается со световой скоростью, то в соответствии с СТО его длина должна уменьшиться до нуля. Поэтому я рассматриваю фотон как точечную частицу, не имеющую длины.
Чем же характеризуется эта частица? Напряженностью электрического и магнитного полей. Но к изображению на первом рисунке осталось ещё несколько вопросов. Вектор напряженности электрического поля как-то очень странно зависает в пространстве. Из электродинамики известно, что источником электрического поля является заряд. При этом силовые линии обязательно должны выходить из заряда или входить в заряд. А вот силовые линии магнитного поля наоборот, должны быть только замкнутыми. Поэтому на схематичном изображении они не могут изображаться в виде векторов. В соответствии с этими требованиями я привожу своё схематичное изображение движения фотона в пространстве.
Читателей не должно смущать, что я изобразил точечную частицу в виде шарика. На рисунке приведен участок движения фотона, на котором происходит полный цикл колебания. В первой половине цикла силовые линии электрического поля выходят из фотона, постепенно увеличиваясь, а затем уменьшаясь. Во второй половине цикла силовые линии электрического поля приходят в фотон. Это означает, что фотон имеет заряд, который в первой половине цикла является положительным, а во второй половине цикла – отрицательным. Величина заряда в течение периода колебаний меняется по гармоническому закону. Силовые линии магнитного поля представляют собой окружности, плоскость которых расположена перпендикулярно направлению движения фотона. В первой половине цикла вектор магнитной индукции направлен по часовой стрелке, а во второй – против. В соответствии с теорией Максвелла это поперечная электромагнитная волна.
Таким образом, фотон является точечной частицей, двигающейся со скоростью света, при этом его заряд изменяется по гармоническому закону с определённой частотой. Это позволяет рассматривать свет как особый вид переменного тока. При этом переменность тока определяется не изменением направления движения заряженных частиц, а изменением величины и знака заряда самого фотона.
У фотона нет никакой длины волны. У него есть только частота, которая является его внутренней характеристикой. О длине волны можно говорить только условно, понимая под этим расстояние, проходимое частицей «фотон» за время одного периода колебаний.
Вывод о наличии тока не должен смущать читателей. Из электродинамики известно, что изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток. Так что здесь нет никаких противоречий. Необычным является только то, что изменяется величина заряда фотона с течением времени. И что? Всё остальное в микромире кажется привычным? В целом фотон сохраняет свою нейтральность. А описанное свойство фотона позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть высказанную гипотезу.
В следующей публикации я приведу рассмотрение того, как высказанная гипотеза о свете позволяет объяснить некоторые физические явления. А также всё-таки отвечу на вопрос о поперечном размере и массе фотона.
В завершении публикации я хочу вернуться к теме образования, которое готовит не только образованных людей, но ещё и умных людей. Умные люди любят задавать вопросы. Образованные люди знают ответы на эти вопросы. Обычно у умного человека вопросов больше, чем ответов у образованного человека. Но в диалоге между ними, как правило, последнее слово остаётся за образованным. Когда ответы заканчиваются, тактичный образованный человек говорит, что вопрос очень сложный. И, чтобы понять ответ, умному надо сначала изучить определённый раздел науки и прочитать много книг. Менее тактичный образованный человек говорит, что сколько можно задавать вопросы? Пора уже и самому начинать думать. Совсем нетактичный образованный человек просто называет умного дураком, а его вопросы дурацкими. На этом диалог заканчивается. Ничего не меняется даже в том случае, когда образованный и умный – это один и тот же человек. В какой-то момент времени ответы заканчиваются, а вопросы остаются…
