Фотон – это один из самых загадочных объектов в физике. Ньютон, при исследовании света, рассматривал свет как поток корпускул. Позднее Гюйгенс и Юнг предложили волновой подход при рассмотрении свойств света. Затем Планк предположил, что свет можно рассматривать как поток дискретных объектов, характеризующихся определенной энергией. К термину «корпускулы» возвращаться не хотелось, поэтому эти объекты стали называть «кванты», а применительно к видимому свету – «фотоны».
Какова природа фотонов? Что они собой представляют? Физики не могут определиться с ответом на эти вопросы до настоящего времени. Фотоны удивительным образом сочетают в себе как корпускулярные, так и волновые свойства. Они участвуют как в электромагнитном взаимодействии, так и в гравитационном взаимодействии. Это свидетельствует только об одном – фотоны являются особым видом материи. Для того чтобы обсуждать природу этого вида материи, необходимо предварительно рассмотреть основные свойства фотонов.
В публикации «Часть 2.13. Фотон – это волна или частица? Каковы размеры, масса и заряд фотона?» я отмечал, что не имеет смысла говорить о продольных размерах фотонов. Никакой материальный объект, двигающийся со скоростью света, не может характеризоваться длиной.
Но как же так? Мне могут возразить, что в физике принято характеризовать излучение длиной волны. Мы знаем, что длина видимого света составляет примерно полмикрона. Инфракрасное излучение является более длинноволновым, чем ультрафиолетовое и т.д.
На это я отвечу, что длина волны – это условная характеристика фотона, не имеющая никакого отношения к его размерам. Ни в каких измерениях не определяется и не регистрируется длина волны фотонов. Регистрируется и измеряется только частота и энергия фотонов. Поэтому именно частота является собственной характеристикой фотонов. Не случайно в формуле для энергии фигурирует именно частота фотона:
Физики, говоря об излучении, стараются избегать понятия длины волны. Обычно, для характеристики излучения пользуются понятием «энергия» или «частота». Это связано с тем, что в соответствии с законами сохранения энергия и частота не изменяются при переходе света из одной среды в другую. А вот длина волны зависит от среды распространения. Поэтому красный свет в воздухе и в воде характеризуется разной длиной волны. При этом за длину волны фотона принято считать расстояние, которое проходит свет за один период колебания. Изменение длины волны в среде обусловлено тем, что скорость распространения света в среде меньше скорости света в вакууме. Причина этого замедления скорости остаётся загадкой. И это не удивительно. Невозможно объяснить явление взаимодействия света с веществом, если физика не знает ни что такое свет, ни то, как устроено вещество.
Иногда при объяснении дуализма света утверждают, что свет распространяется как волна, а взаимодействует как частица. Это ошибочное понимание дуализма. По большому счету вообще не имеет значения, как распространяется свет. Наблюдатель получает информацию об объекте только в результате анализа результатов взаимодействия с этим объектом. Поэтому основным источником информации о свойствах объекта являются взаимодействия. Между взаимодействиями объект перемещается в пространстве. И совершенно не имеет значения, как он это перемещение осуществляет. Наблюдатель ничего не может сказать об этом перемещении, поскольку не имеет никакой информации о ходе этого перемещения.
Фотоны не являются волной, распространяющейся в среде. Фотоны можно рассматривать как частицы, не имеющие длину, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. При этом некоторые параметры этой частицы (например, заряд) изменяются по гармоническому закону в процессе распространения. Частота изменений этих параметров является основной (и единственной) характеристикой фотонов.
Это утверждение может показаться очень необычным. Но именно это свойство фотонов является их отличительной особенностью. Именно гармоническое изменение значений параметров фотонов отличает их от других фундаментальных частиц.
В природе нет никакого дуализма. Есть дуализм в теоретическом описании явлений. И это является свидетельством нашей неполноты знаний об объекте или явлении.