Откуда берётся свет и что он вообще такое? Почему свет движется со скоростью света? Фотон - это частица или волна?
Сегодня снова будем переводить на человеческий язык квантовую электродинамику. Как мы помним, мир наш состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из протонов, нейтронов и электронов, электрон сам по себе является элементарной частицей, но при этом больше напоминает облако вокруг протона, чем некую точку, вращающуюся по его орбите. Протон состоит из кварков, а кварки в свою очередь - это нечто, обладающее электрическим зарядом, причём существуют кварки только внутри протона и связаны между собой ещё одной элементарной частицей - глюоном. Что во всей этой вакханалии делает фотон?
Фотон - элементарная частица, с помощью которой материя обменивается энергией. Так мы привыкли думать, но есть нюансы, и для их понимания придётся сделать небольшое лирическое отступление, чтобы понять, как в целом устроены частицы. В статье про энергию я попытался вам показать, что все материальные частицы являются формой энергии, как бы стабильной стоячей волной в электромагнитном поле, которым наполнено любое пустое пространство. Чтобы немного представить как это всё выглядит - представьте что вы бросили камень на гладкую поверхность воды.
Вода - это поле, камень - это приложенная к полю энергия, а элементарные частицы - это волны, расходящиеся от брошенного в воду камня. Аналогия не совсем точна, но теперь вы имеете приблизительное представление о том, как это всё выглядит или может выглядеть.
По какой-то причине все материальные частицы стремятся занять "наиболее энергетически выгодное положение", как говорят физики. В по сути - сбросить с себя энергию и понизить свою температуру (подозреваю, это из-за постепенного торможения колебаний заряженной частицы инертностью поля, но об этом ближе к концу). Однако, всё что нас с вами окружает - не остужается до абсолютного нуля. Почему? А потому, что сбросив энергию, материальное тело тут же получает порцию энергии с помощью фотонов от соседних материальных тел, которые так же постоянно сбрасывают энергию. Наша планета Земля излучает фотонов примерно в 20 раз больше, чем получает от Солнца, правда эти излучаемые Землёй фотоны менее энергетичны. Если убрать Солнце, Земля довольно быстро лишится энергии благодаря собственному излучению, потеряет температуру, покроется ледяной коркой, а остаточное тепло в её недрах будет ещё несколько тысяч лет держать температуру Земли несколько выше, чем средняя температура по космосу. Кстати, расширение вселенной играет ключевую роль в её развитии - все протоны сформировались на начальном этапе её существования из кварк-глюонной плазмы - в те далёкие времена условия были другими, температура вселенной была высока и возможно, кварки с глюонами могли существовать сами по себе, а вследствие кошмарного давления и температуры внутри всей системы как бы склеились, образовав протоны и нейтроны. Не будь этих особых условий на этом начальном этапе - всё, зарождающаяся материя аннигилировала бы к чертям собачьим, но видимо плотность энергии на единицу пространства была настолько высокой, что энергии пришлось переупаковаться в более компактные структуры в виде кварков, связанных глюонами. Стоячие волны в электромагнитном поле (кварки) связались друг с другом другими стоячими волнами (глюоны) и закольцевались. Так они до сих пор связками и колеблются, а мы воспринимаем всю эту вакханалию как материю. Если бы Вселенная не расширялась - сбрасывать энергию было бы некуда, и температура Вселенной бы не снижалась и была бы такова, что ничто не смогло бы существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии, вся материя существовала бы только в форме сверхгорячей плазмы.
Продолжим аналогию с камнем, брошенным в воду. Приложив энергию к полю, мы получаем волну, которую воспринимаем как элементарную частицу. Если мы бросим сразу несколько камней - мы увидим, что волны постоянно пересекаются, сталкиваются, а иногда складываются и вырастают. И вот эта рябь на воде очень похожа на то, как материальные частицы постоянно обмениваются энергией, выстреливая друг в друга фотонами.
Корпускулярно-волновая природа фотона наделала шума в известном эксперименте с двумя щелями, но некоторые учёные объяснили этот парадокс - фотон проходит всегда через одну щель, коллапса волновой функции у него нет, а тень (рябь) от волн на экране возникает потому, что фотон колеблет электромагнитное поле вокруг себя и именно эта волна-рябь проходит через вторую щель,
вызывая головную боль у физиков видимой дифракцией на экране.
Фотон сам является электромагнитной волной, так вот эффект прохода одного фотона через две щели сразу должен толковаться так: фотон прошел через одну щель, через вторую прошла волна, которую он инициировал. Наблюдать непосредственно за элементарными частицами сложно, так как своим наблюдением мы меняем их поведение (чтобы пронаблюдать электрон, мы должны выстрелить в него фотоном. Электрон поглотит фотон и его энергия возрастёт. Затем он выпустит фотон, избавляясь от энергии, и этот переизлучённый фотон мы и сможем пронаблюдать, сделав выводы о состоянии электрона). Именно поэтому мы видим разные результаты при непосредственном наблюдении летящего фотона и без непосредственного наблюдения, когда наблюдаем только производимый эффект. Недавно появилась ещё одна загадка - эксперимент квантового ластика с отложенным выбором, по сути сильно усложнённый эксперимент с двумя щелями, и появилось ещё больше вопросов, чем ответов... но это как-нибудь в другой раз рассмотрим.
Каков срок жизни фотона? Тут ещё один нюанс - если бы фотон мог измерить время своей жизни сам относительно себя - это время бы равнялось нулю. На скорости света время бесконечно замедляется, и даже пролетев расстояние в 13,8млрд световых лет, рождённый в начале времён фотон не почувствовал бы никакого изменения времени. Тем не менее, сторонний наблюдатель мог бы сказать, что фотон живет бесконечно долго (ну пока не столкнётся с неким материальным телом и не передаст ему всю свою энергию).
Почему фотон двигается со скоростью света в вакууме, но сильно тормозится в материальной среде? Тут всё просто, если снова вспомнить аналогию с камнями и рябью на воде. Двигаясь в пространстве, волна несёт в себе энергию, но попадая на такую же волну, передаёт свою энергию ей. У моряков есть понятие "девятый вал" - очень большая волна, которая сильно выше всех остальных волн во время шторма. Получается девятый вал потому, что энергия нескольких волн складывается, и в итоге получаем одну, но очень мощную волну. Кстати, эта волна живёт не очень долго и может распасться обратно на более мелкие волны - похожая ситуация происходит и при взаимодействии фотона с материальными телами.
Что есть материальное тело? Закольцованная стоячая волна в электромагнитном поле. Что будет, если в неё выстрелить волной поменьше? Увеличится или амплитуда, или частота колебаний, и через некоторое время более сильно колеблющаяся стоячая волна может породить волну в электромагнитном поле, её окружающем, сбросить таким образом недавно полученную "лишнюю" энергию, и таким образом родится новый фотон, который полетит к следующему материальному телу. То есть, фактически фотон в материальной среде не тормозится и не теряет скорость, он самоубивается об электрон в атоме (а о что ещё, электронное облако огромно по сравнению с размером протона, чего б и не поймать фотон, до протона при таком раскладе фотон тупо не доберется), а затем этим же атомом (а точнее, его электроном или одним из электронов) снова переизлучается. То есть, фотон до столкновения с атомами среды и после - это не один и тот же фотон, а два разных. Но для нас, сторонних наблюдателей - выглядит всё так, как будто фотон в среде тормозится. Не верь глазам своим...
Как рождается фотон с точки зрения квантовой электродинамики, если не лезть в сложные формулы? Очень просто: при сообщении любой энергии заряженному телу, вокруг этого тела меняется напряженность электрического поля. При начале движения этой частицы происходит следующее:
Электрическое поле "как бы получает информацию" об изменении состояния заряженной частицы, и скорость распространения этой информации - максимальна для нашего пространства, то есть с - скорость света.
Вектор изменения напряженности силовых линий поля перпендикулярен направлению этих силовых линий, и по сути вот этот перпендикуляр и распространяется со скоростью света, и именно в тот момент, когда информация об изменении состояния испустившей фотон частицы и наступает тот момент "сейчас", в которой мы воспринимаем волну возмущения электромагнитного поля как отдельную частицу - фотон.
Непонятненько? Простите, в пучину квантовой электродинамики без спасательного жилета погружаться не стоит, я предупреждал. Попробую перевести на человеческий язык:
Представим себе атом очень сильно разогретого (миллиарды градусов кельвина) вещества - в этом атоме будет упакована огромная куча энергии, вокруг ядра будет бешеная истерика электронов с невероятной частотой и амплитудой колебаний. Вокруг каждого электрона - огромное количество точек поля (которые точки намного меньше электрона), которое как бы стремится затормозить колебания электрона своей инертностью (не смог подобрать более правильного слова, извините), принимая на себя часть колебаний электрона. Как мы помним из изложенного выше - фотон является волной в этом поле, и чем большая энергия заключена в колебаниях электрона - тем большая амплитуда волн будет рождаться в электромагнитном поле, тем боььше будет амплитуда колебаний этих электромагнитных волн, и вуаля - от такого атома будет выходить во все точки пространства множество волн (фотонов, то бишь), всех возможных длин волн.
Любой фотон - это электромагнитная волна, но в зависимости от длины и частоты этой волны - мы воспринимаем его как свет разных цветов, как ультрафиолетовое или инфракрасное, гамма- и рентгеновское излучение, но всё это - фотоны. Великие и ужасные переносчики электромагнитного взаимодействия.
Что такое электромагнитное поле - мы имеем представление, об этом как-нибудь в следующей статье. А вот что такое заряд, из-за которого весь этот сыр-бор с полями, волнами и фотонами - пока доподлинно неизвестно.