Несмотря на то, что природа фотонов остаётся загадкой для физики, это никак не мешает изучать свойства и характеристики фотонов.
Для начала необходимо принять, что фотон является неким материальным объектом. Для рассмотрения параметров этого объекта не обязательно вдаваться в детали его внутренней структуры и физической природы. О массе этого объекта можно судить по результатам его взаимодействия с другими массивными объектами. Геометрические размеры можно определить по характеру взаимодействия с объектами соизмеримых размеров.
В публикации «Почему у фотона нет длины, а в природе нет дуализма» я отметил, что поскольку фотон движется в пространстве со скоростью света, то он не может иметь продольного размера в направлении движения. Это справедливо для всех материальных объектов. Поэтому современная физика рассматривает фотон, как точечную элементарную частицу, не имеющую размеров.
Если вопрос с продольным размером фотона абсолютно ясен, то вопрос о поперечном размере фотона требует отдельного рассмотрения.
Кто-нибудь из читателей задавался вопросом о поперечном размере фотона? Что касается меня, то при рассмотрении схем геометрической оптики я всегда представлял световой луч в виде геометрического луча. То есть это был направленный отрезок, не имеющий ширины. Позднее я познакомился с квантовой теорией. И мысленное изображение луча света стало как-то размазываться в пространстве. Но всегда фотон представлялся неким туманным протяженным объектом некоторой длины с неопределенной шириной. Теперь я понимаю, что и это представление было ошибочным.
Ненавижу термин «сгусток энергии», часто применяемый к фотону. Поскольку энергия - это характеристика состояния материи, а не сама материя.
Разумеется, наивно представлять элементарные частицы в виде твердых шариков определенного размера. Частицы не имеют строгих и четких очертаний. Элементарные частицы представляют собой сложную структуру из сочетания гравитационного, электромагнитного и прочих видов полей. Поэтому можно говорить только о некоторых характерных размерах и расстояниях, на которых частицы взаимодействуют друг с другом. Эту характеристику и можно принять за размер частицы.
При таком подходе задача определение ширины фотона не представляет особого труда.
В физике известно явление дифракции света. Дифракцией света называется огибание светом препятствий, встречающихся на его пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения световых волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики.
Дифракция света происходит в результате взаимодействия фотонов, составляющих световой луч, с границей объектов на своем пути. При этом расстояние от фотона до границы объекта, на котором происходит взаимодействие, определяет характерную ширину фотона. Если бы фотоны не имели ширины, то никакого рассеяния света на щелях не наблюдалось бы.
Другое известное явление – диффузное отражение света. Диффузное отражение – это отражение светового потока, падающего на поверхность, при котором отражение происходит под углом, отличающимся от падающего луча. При этом степень рассеяния света определяется размером неровностей на поверхности.
Мне представляется естественным вывод о том, что это рассеяние обусловлено наличием у фотона определенного поперечного размера, который можно назвать шириной. Если бы у фотона не было ширины, то рассеяние на любой поверхности было бы диффузным. Зеркальное отражение света отсутствовало бы. В случае, когда ширина фотона превышает размеры неоднородностей, то происходит усреднение взаимодействий с неоднородностями поверхности, и отражение становится зеркальным.
Явления дифракции и диффузного отражения характеризуются параметром, равным отношению скорости света к частоте излучения. Эта величина известна как длина волны. Только в рассматриваемой интерпретации этот параметр описывает не длину фотона, а его ширину.
Таким образом, можно говорить о поперечном размере фотона, который сопоставим с величиной, равной отношению скорости света к частоте излучения.
Эта ситуация напоминает мне следующий анекдот.
Муж говорит жене после посещения врача:
- Дорогая, то, что мы с тобой всю жизнь принимали за оргазм – это астма.
В данном случае ситуация с фотоном полностью аналогична. То, что мы всю жизнь называли длиной волны фотона – является значением его ширины. А продольный размер у фотона отсутствует.
Таким образом, фотон можно представить в виде летящего плоского блина. И этот блин имеет довольно большую ширину – около 1 мкм для видимого света. Несколько неожиданный вывод, который сложно принять, но еще сложнее оспорить.