Фотон: различия между версиями

| теоретически_обоснована = [[Планк, Макс|М.&nbsp;Планк]] ([[1900]]);<br> [[Эйнштейн, Альберт|А.&nbsp;Эйнштейн]] ([[1905]]—[[1917]])

| обнаружена = [[1923]] (окончательное подтверждение)

| время_жизни = [[Стабильные элементарные частицы|Стабилен]]

| электрический_заряд = 0 (&lt;10⁻³⁵ [[элементарный электрический заряд|e]])<ref name="DPG">[http://pdg.lbl.gov/2009/tables/rpp2009-sum-gauge-higgs-bosons.pdf Particle Data Group] (2008)</ref><ref name="chargeless1">{{статья|автор=Kobychev V. V., [[Попов, Сергей Борисович (астрофизик)|Popov S. B.]]|заглавие=Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources|издание=Astronomy Letters|год=2005|том=31|выпуск=|страницы=147—151|ссылка=http://www.springerlink.com/content/dhq4600uw82n3kgk/|doi=10.1134/1.1883345|arxiv=hep-ph/0411398|язык=en}}{{Недоступная ссылка|date=Декабрь 2019 |bot=InternetArchiveBot }}</ref><ref name="chargeless2">{{статья|автор=Altschul B.|заглавие=Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation|издание=[[Physical Review Letters]]|год=2007|том=98|выпуск=|страницы=261801|ссылка=|doi=|arxiv=|язык=en }}</ref>

В физике фотоны обозначаются буквой [[Гамма (буква)|{{math|γ}}]].

 

[[Квантовая электродинамика]], основанная на [[квантовая теория поля|квантовой теории поля]] и [[Стандартная модель|Стандартной модели]], описывает фотон как [[калибровочный бозон]], обеспечивающий [[электромагнитное взаимодействие]] между частицами: [[виртуальная частица|виртуальные]] фотоны<ref>{{ФЭ

| автор = Ширков Д. В.

| стр = 540—542}}</ref>.

 

 

== История ==

|том=16

|страницы=47

|автор=[[Эйнштейн, Альберт|Einstein А.]]

|год=1916}} Также ''Physikalische Zeitschrift'', '''18''', 121—128 (1917). {{de icon}}</ref>

|archivedate = 2011-08-11

|deadlink = no

 

=== История названия и обозначения ===

Фотон изначально был назван [[Эйнштейн, Альберт|Альбертом Эйнштейном]] «световым квантом» ({{lang-de|das Lichtquant}})<ref name="Einstein1905" />. Современное название, которое фотон получил от [[Греческий язык|греческого]] слова {{lang-grc2|φῶς}} («свет»), было введено в [[1926 год]]у химиком [[Льюис, Гилберт Ньютон|Гилбертом Н. Льюисом]]<ref>{{cite web

|url = http://www.krugosvet.ru/articles/117/1011713/1011713a1.htm

|title = Льюис, Гильберт Ньютон

|deadlink = no

}}</ref>, опубликовавшим свою теорию<ref name="Lewis1926">{{статья

|заглавие=The conservation of photons

|издание=[[Nature]]

|страницы=874—875

|язык=en

|год=1926

}}{{en icon}}</ref>, в которой фотоны считались «несоздаваемыми и неуничтожимыми». Хотя теория Льюиса не нашла своего подтверждения, находясь в противоречии с экспериментальными данными, новое название для квантов электромагнитного поля стало использоваться многими физиками.

В большинстве теорий, разработанных до [[XVIII век]]а, свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» [[Ибн ал-Хайсам]]ом в 1021 году. В ней учёный представлял [[световой луч]] в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии»<ref name="Rashed">

{{статья

|заглавие=The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham

|издание={{Нп3|Arabic Sciences and Philosophy}}

|том=17

|номер=1

|doi=10.1017/S0957423907000355

|цитата=В его оптике «мельчайшие частицы света», как он их называл, характеризуются только теми свойствами, которые могут быть описаны геометрически и проверены на опыте; они «испытывают недостаток всех заметных качеств, кроме энергии».

{{книга

|заглавие=Discours de la méthode ([[Рассуждение о методе]])

|издательство=Imprimerie de Ian Maire

|год=1637

}} {{fr icon}}</ref>, [[Роберт Гук]] (1665)<ref>

{{книга

|место=London (UK)

|издательство=[[Лондонское королевское общество|Royal Society]]

|ссылка=http://digital.library.wisc.edu/1711.dl/HistSciTech.HookeMicro

|язык=en

}}</ref>, и [[Христиан Гюйгенс]] (1678)<ref>

{{книга

|автор=[[Гюйгенс, Христиан|Huygens C.]]

}} {{fr icon}}. An [http://www.gutenberg.org/etext/14725 English translation] is available from Project Gutenberg ([[проект «Гутенберг»]])</ref>.

Однако модели, основанные на идее дискретного строения света, оставались преобладающими, во многом из-за влияния авторитета [[Ньютон, Исаак|Исаака Ньютона]], придерживавшегося этих теорий<ref name="Newton1730">

{{книга

|заглавие=Opticks

|страницы=Book II, Part III, Propositions XII—XX; Queries 25—29

|место=Dover (NY)

|издательство=[[Dover Publications]]

|isbn=0-486-60205-2

}}{{en icon}}</ref><ref>{{cite web

|url = http://www.krugosvet.ru/articles/22/1002294/1002294a1.htm

В начале XIX века [[Томас Юнг]] и [[Огюстен Френель]] наглядно показали в своих опытах явления интерференции и дифракции света, после чего примерно к 1850 году волновые модели стали общепринятыми<ref>

{{книга

|заглавие=The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century

|издательство=[[University of Chicago Press]]

|isbn=0-226-07886-8

|oclc=18069573

|язык=en

}}{{en icon}}</ref>. В [[1865 год]]у [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймс Максвелл]] предположил в рамках своей [[уравнения Максвелла|теории]]<ref name="maxwell">

{{статья

|заглавие=A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field

|издание=[[Philosophical Transactions of the Royal Society|Philosophical Transactions of the Royal Society of London]]

|том=155

|страницы=459—512

|doi=10.1098/rstl.1865.0008

|язык=en

|тип=journal}}{{en icon}} Эта статья была опубликована после доклада Максвелла [[Лондонское королевское общество|Королевскому обществу]] 8 декабря 1864 года.</ref>,

что свет — это [[электромагнитная волна]]. В [[1888 год]]у эта гипотеза была подтверждена экспериментально [[Герц, Генрих Рудольф|Генрихом Герцем]], обнаружившим [[радиоволны]]<ref name="hertz">

{{статья

|заглавие=Über Strahlen elektrischer Kraft

|издание=Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin)

|страницы=1297—1307

 

 

[[Уравнения Максвелла|Волновая теория Максвелла]] не смогла, однако, объяснить всех свойств света. Согласно этой теории, энергия световой волны должна зависеть только от её [[интенсивность света|интенсивности]], но не от [[частота|частоты]]. На самом же деле результаты некоторых экспериментов показали обратное: переданная от света атомам энергия зависит только от частоты света, а не от интенсивности. Например, [[фотохимия|некоторые химические реакции]] могут начаться только при облучении вещества светом, частота которого выше определённого порогового значения; излучение, частота которого ниже этого значения, вне зависимости от интенсивности, не может инициировать реакцию. Аналогично, электроны могут быть вырваны с поверхности металлической пластины только при облучении её светом, частота которого выше определённого значения, так называемой [[красная граница фотоэффекта|красной границы фотоэффекта]]; энергия вырванных электронов зависит только от частоты света, но не от его интенсивности{{sfn|Детлаф, Яворский|2005|с=490—493}}<ref>Зависимость люминесценции от частоты, с. 276f, фотоэлектрический эффект, раздел 1.4 в книге {{книга

|заглавие=Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics

|издательство=[[Addison-Wesley]]

|год=1968

|язык=en

}}{{en icon}}</ref>.

 

завершились выдвижением [[Гипотеза Планка|гипотезы]] [[Планк, Макс|Макса Планка]]<ref name="Planck1901">

{{статья

|заглавие=Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum

|издание=[[Annalen der Physik]]

|том=4

|страницы=553—563

|doi=10.1002/andp.19013090310

|язык=de

|last = [[Планк, Макс|Planck M.]]

|year = 1920

Многие физики изначально предполагали, что квантование энергии есть результат какого-то неизвестного свойства материи, поглощающей и излучающей электромагнитные волны. В [[1905 год]]у Эйнштейн предположил, что квантование энергии — свойство самого электромагнитного излучения<ref name="Einstein1905" />. Признавая справедливость теории Максвелла, Эйнштейн указал, что многие аномальные в то время результаты экспериментов могут быть объяснены, если энергию световой волны поместить в подобные частицам кванты, которые движутся независимо друг от друга, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве<ref name="Einstein1905" />. В [[1909]]<ref name="Einstein1909"/> и [[1916 год]]ах<ref name="Einstein1916b"/> Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать [[импульс]]ом <math>p=h/\lambda</math>{{sfn|Детлаф, Яворский|2005|с=495}}. Импульс фотона был обнаружен экспериментально<ref name="Compton1923">

{{статья

|заглавие=A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements

|издание=[[Physical Review]]

|том=21

|страницы=483—502

|doi=10.1103/PhysRev.21.483

|язык=en

|год=1923}}{{en icon}}</ref>{{sfn|Детлаф, Яворский|2005|с=497—500}} [[Комптон, Артур Холли|Артуром Комптоном]], за эту работу он получил [[Нобелевская премия по физике|Нобелевскую премию по физике]] в [[1927 год]]у. Однако вопрос согласования волновой теории Максвелла с экспериментальным обоснованием дискретной природы света оставался открытым<ref name="Pais1982">

{{книга

|заглавие=Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein

|издательство=[[Издательство Оксфордского университета|Oxford University Press]]

|isbn=0-198-53907-X

|язык=en

}}{{en icon}}</ref>. Ряд авторов утверждали, что излучение и поглощение электромагнитных волн происходит порциями, квантами, однако процессы распространения волны непрерывны. Квантовый характер явлений излучения и поглощения доказывает наличие у микросистем, в том числе у электромагнитного поля, отдельных энергетических уровней и невозможность микросистемы обладать произвольной величиной энергии. Корпускулярные представления хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми закономерностями излучения и поглощения электромагнитных волн, в частности, с закономерностями теплового излучения и фотоэффекта. Однако по их мнению экспериментальные данные свидетельствуют, что квантовые свойства электромагнитной волны не проявляются при распространении, рассеянии, дифракции электромагнитных волн, если они не сопровождаются потерей энергии. В процессах распространения электромагнитная волна не находится в определённой точке пространства, ведёт себя как единое целое и описывается уравнениями Максвелла<ref>

{{книга

Однако даже после экспериментов Комптона [[Бор, Нильс|Бор]], [[Хендрик Крамерс]] и [[Слейтер, Джон Кларк|Джон Слейтер]] предприняли последнюю попытку спасти классическую максвелловскую волновую модель света, без учёта его квантования, опубликовав так называемую [[БКС теория|теорию БКС]]<ref name="Bohr1924">

{{статья

|заглавие=The Quantum Theory of Radiation

|издание=[[Philosophical Magazine]]

|том=47

|страницы=785—802

|язык=en

|заглавие = Курс истории физики

|ссылка = http://historic.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st057.shtml

 

Одним из экспериментов, подтверждающим квантование поглощения света, стал опыт [[Боте, Вальтер|Вальтера Боте]], проведённый им в [[1925 год]]у. В этом опыте тонкая металлическая фольга облучалась [[рентгеновское излучение|рентгеновским излучением]] низкой интенсивности. При этом фольга сама становилась источником слабого вторичного излучения. Исходя из классических волновых представлений, это излучение должно распределяться в пространстве равномерно во всех направлениях. В этом случае два счётчика, находившиеся слева и справа от фольги, должны были обнаруживать его одновременно. Однако результат опыта оказался прямо противоположным: излучение засекалось либо правым, либо левым счётчиком и никогда обоими одновременно. Следовательно, поглощение идёт отдельными квантами. Опыт, таким образом, подтвердил исходное положение фотонной теории излучения и стал ещё одним экспериментальным доказательством квантовых свойств электромагнитного излучения<ref>{{cite web

|url = http://www.lgrflab.ru/physbook/tom5/ch1/texthtml/ch1_3_text.htm

|title = Фотонный газ и его свойства

Некоторые физики продолжали разрабатывать полуклассические модели<ref name="Mandel1976">

{{статья

|заглавие=The case for and against semiclassical radiation theory

|издание={{Нп3|Progress in Optics}}

|том=13

|страницы=27—69

|язык=en

 

== Физические свойства фотона ==

 

Фотон — [[Безмассовые частицы|безмассовая]] нейтральная частица.

[[Спин]] фотона равен 1 (частица является [[бозон]]ом), но из-за нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является [[спиральность частицы|спиральность]], проекция спина частицы на направление движения. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной <math>\pm 1</math>. Этому свойству в [[классическая электродинамика|классической электродинамике]] соответствует круговая поляризация [[электромагнитные волны|электромагнитной волны]]<ref name="physicaldictionary" />.

 

Такой распад является проявлением нелинейности [[уравнения Максвелла|уравнений Максвелла]] с учётом [[диаграммы Фейнмана|радиационных поправок]]{{sfn|Берестецкий, Лифшиц, Питаевский|1989|с=650—658}}.

 

 

Фотон относится к [[калибровочный бозон|калибровочным бозонам]]. Он участвует в [[электромагнитное взаимодействие|электромагнитном]] и [[гравитация|гравитационном]]<ref name="elementyGrav" /> взаимодействии<ref name="physicaldictionary" />.

 

Другим свидетельством рождения фотонами виртуальных пар частица-античастица является экспериментальное наблюдение [[Рассеяние частиц|рассеяния]] фотонов друг на друге, невозможное в рамках классической электродинамики Максвелла<ref>

{{статья

где <math>\hbar</math> — редуцированная [[постоянная Планка]], равная <math>h/2\pi</math>; <math>\vec{k}</math> — [[волновой вектор]] и <math>k=2\pi/\lambda</math> — его величина ([[волновое число]]); <math>\omega=2\pi\nu</math> — [[угловая частота]]. Волновой вектор <math>\vec{k}</math> указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.

 

 

 

 

 

== Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости ==

 

Фотону свойственен [[корпускулярно-волновой дуализм]]. С одной стороны, фотон проявляет свойства электромагнитной волны в явлениях [[дифракция|дифракции]] и [[Интерференция света|интерференции]] в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой <math>\nu</math>, проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать [[Уравнения Максвелла|уравнениями Максвелла]]<ref name="Taylor1909">{{статья|автор=Taylor G. I.|заглавие=Interference fringes with feeble light|издание=Proceedings of the Cambridge Philosophical Society|год=1909|том=15|выпуск=|страницы=114—115|ссылка=|doi=|arxiv=|язык=en}}</ref>.

 

В то же время это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов, описанными выше (см. также [[Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена]]). Также невозможно ввести понятие тока фотонов, для которого выполнялось бы [[уравнение непрерывности]] для плотности числа фотонов{{sfn|Берестецкий, Лифшиц, Питаевский|1989|с=§ 3, c. 26—27 и § 4, c. 29}}.

Фотон — [[безмассовые частицы|безмассовая частица]], поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения. Формально говоря, фотон не может иметь координатное [[собственное состояние]] <math>|\mathbf{r} \rangle</math> и, таким образом, обычный принцип неопределённости Гейзенберга в виде <math>\Delta x \Delta p \, \sim \, h</math> к нему неприменим{{sfn|Берестецкий, Лифшиц, Питаевский|1989|с=§ 5, c. 29}}.

 

 

== Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна ==

|страницы = 163—167

|страниц = 256

 

: <math>

 

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго [[тождественные частицы|тождественны]] друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия»<ref name="Einstein1924">{{статья|автор=[[Эйнштейн, Альберт|Einstein A.]]|заглавие=Quantentheorie des einatomigen idealen Gases|издание=Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse|год=1924|том=1924|выпуск=|страницы=261—267|ссылка=|doi=|arxiv=|язык=de}}</ref><ref name="Einstein1925">{{статья|автор=[[Эйнштейн, Альберт|Einstein A.]]|заглавие=Quantentheorie des einatomigen idealen Gases, Zweite Abhandlung|издание=Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse|год=1925|том=1925|выпуск=|страницы=3—14|ссылка=|doi=|arxiv=|язык=de}}</ref>,

В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются [[Статистика Бозе — Эйнштейна|статистике Бозе — Эйнштейна]], а [[фермион]]ы, например, [[электрон]]ы, — [[статистика Ферми — Дирака|статистике Ферми — Дирака]]<ref>{{книга|автор=Streater R. F., Wightman A. S.|часть=|заглавие=PCT, Spin and Statistics, and All That|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=|издательство=Addison-Wesley|год=1989|том=|страницы=|страниц=|isbn=020109410X|язык=en}}</ref>.

 

Коэффициенты <math>A</math> и <math>B</math> называют [[коэффициенты Эйнштейна|коэффициентами Эйнштейна]]<ref>См. Section 1.4 в кн.: {{книга|автор=Wilson J., Hawkes F. J. B.|часть=|заглавие=Lasers: Principles and Applications|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=New York|издательство=Prentice Hall|год=1987|том=|страницы=|страниц=|isbn=0-13-523705-X|язык=en}}</ref>.

 

 

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена [[Ньютон, Исаак|Исааком Ньютоном]] в его объяснении явления [[двойное лучепреломление|двойного лучепреломления]] (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «[[скрытые переменные]]», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица<ref name="Newton1730" /> Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности<ref name="Pais1982" />. Примечательно, что введение [[Борн, Макс|Максом Борном]] вероятностной интерпретации [[волновая функция|волновой функции]]<ref name="Born1926a">{{статья|автор=[[Борн, Макс|Born M.]]|заглавие=Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge|издание=[[Zeitschrift für Physik]]|год=1926|том=37|выпуск=|страницы=863—867|ссылка=|doi=10.1007/BF01397477|arxiv=|язык=de}}</ref><ref name="Born1926b">{{статья|автор=[[Борн, Макс|Born M.]]|заглавие=Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge|издание=[[Zeitschrift für Physik]]|год=1926|том=38|выпуск=|страницы=803|ссылка=|doi=10.1007/BF01397184|arxiv=|язык=de}}</ref> было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.<ref name="ghost_field">«Борн утверждал, что он был вдохновлён неопубликованными попытками Эйнштейна развить теорию, в которой точечноподобные фотоны вероятностно управлялись „полями-призраками“, подчинявшимися уравнениям Максвелла» ({{книга|автор=[[Пайс, Абрахам|Pais A.]]|часть=|заглавие=Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=|издательство=Oxford University Press|год=1986|том=|страницы=|страниц=|isbn=0-198-51997-4|язык=en}}).</ref>