Foton - Photon

Foton
LASER.jpg
Fotony są emitowane w gwintowanych wiązkach laserowych
Kompozycja Cząstka elementarna
Statystyka bozonowy
Rodzina Bozon pomiarowy
Interakcje elektromagnetyczny , słaby , grawitacyjny
Symbol γ
Teoretyzowana Albert Einstein (1905)
Nazwę „foton” ogólnie przypisuje się Gilbertowi N. Lewisowi (1926)
Masa 0 (wartość teoretyczna)
<1 x 10 -18  eV / c 2 (granica doświadczalnie)
Średnia żywotność Stabilny
Ładunek elektryczny 0
<1 × 10 -35  e
Kręcić się 1
Parytet -1
Parzystość C -1
Skondensowany I ( J P C )=0,1(1 −− )

Foton ( grecki : φῶς , fos, światło) to rodzaj cząstki elementarnej . To kwantowa z pól elektromagnetycznych , w tym promieniowanie elektromagnetyczne , takie jak światło i fal radiowych , a nośnik siły na siłę elektromagnetyczną . Fotony są bezmasowe , więc zawsze poruszają się z prędkością światła w próżni ,299 792 458  m/s (czyli około 186 282 mil/s). Foton należy do klasy bozonów .

Podobnie jak wszystkie cząstki elementarne, fotony są obecnie najlepiej wyjaśniane za pomocą mechaniki kwantowej i wykazują dualizm falowo-cząstkowy , a ich zachowanie obejmuje właściwości zarówno fal, jak i cząstek . Nowoczesna koncepcja fotonu powstała w pierwszych dwóch dekadach XX wieku dzięki pracom Alberta Einsteina , który opierał się na badaniach Maxa Plancka . Próbując wyjaśnić, w jaki sposób materia i promieniowanie elektromagnetyczne mogą znajdować się w równowadze termicznej , Planck zaproponował, że energię zmagazynowaną w materialnym obiekcie należy traktować jako złożoną z całkowitej liczby dyskretnych, równych części. Aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny , Einstein przedstawił ideę, że samo światło składa się z dyskretnych jednostek energii. W 1926 roku Gilbert N. Lewis spopularyzował termin foton dla tych jednostek energii. Następnie wiele innych eksperymentów potwierdziło podejście Einsteina.

W standardowym modelu z fizyki cząstek fotonów i inne cząstki elementarne są opisane jako konsekwencję praw fizycznych o pewnej symetrii w każdym punkcie czasoprzestrzeni . Wewnętrzne właściwości cząstek, takie jak ładunek , masa i spin , są określane przez tę symetrię cechowania . Koncepcja fotonów doprowadziła do przełomowych postępów w fizyce eksperymentalnej i teoretycznej, w tym w dziedzinie laserów , kondensacji Bosego-Einsteina , kwantowej teorii pola oraz probabilistycznej interpretacji mechaniki kwantowej. Znajduje zastosowanie w fotochemii , mikroskopii wysokiej rozdzielczości oraz pomiarach odległości molekularnych . Ostatnio fotony badano jako elementy komputerów kwantowych oraz pod kątem zastosowań w obrazowaniu optycznym i komunikacji optycznej, takich jak kryptografia kwantowa .

Nomenklatura

Efekt fotoelektryczny : emisja elektronów z metalowej płytki wywołana przez kwanty światła – fotony.
1926 list Gilberta N. Lewisa, który wprowadził słowo „foton” do powszechnego użycia

Słowo kwanty (liczba pojedyncza kwantowa, łac ile ) użyto przed rokiem 1900 oznacza cząstek lub ilości różnych ilościach , w tym energię elektryczną . W 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck badał promieniowanie ciała doskonale czarnego i zasugerował, że obserwacje eksperymentalne, w szczególności przy krótszych długościach fal , można by wyjaśnić, gdyby energia zmagazynowana w cząsteczce była „wielką dyskretną składającą się z całkowitej liczby skończonych równe części”, które nazwał „elementami energetycznymi”. W 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł, w którym zaproponował, że wiele zjawisk związanych ze światłem – w tym promieniowanie ciała doskonale czarnego i efekt fotoelektryczny – można lepiej wytłumaczyć modelowaniem fal elektromagnetycznych jako składających się z przestrzennie zlokalizowanych, dyskretnych pakietów fal. Taki pakiet falowy nazwał kwantem światła (niem. das Lichtquant ).

Nazwa foton pochodzi od greckiego słowa oznaczającego światło, φῶς (transliterowane phôs ). Arthur Compton użył fotonu w 1928, odnosząc się do Gilberta N. Lewisa , który ukuł ten termin w liście do Nature z 18 grudnia 1926. Ta sama nazwa była używana wcześniej, ale nigdy nie została powszechnie przyjęta przed Lewisem: w 1916 przez amerykańskiego fizyka i psychologa Leonarda T. Trolanda , w 1921 r. przez irlandzkiego fizyka Johna Joly , w 1924 r. przez francuskiego fizjologa René Wurmsera (1890–1993), aw 1926 r. przez francuskiego fizyka Frithiofa Wolfersa (1891–1971). Nazwa została początkowo sugerowana jako jednostka związana z oświetleniem oka i wynikającym z tego odczuciem światła, a później została użyta w kontekście fizjologicznym. Chociaż teorie Wolfersa i Lewisa były sprzeczne z wieloma eksperymentami i nigdy nie zostały zaakceptowane, nowa nazwa została bardzo szybko przyjęta przez większość fizyków po tym, jak Compton użył jej.

W fizyce foton jest zwykle oznaczany symbolem γ ( grecka litera gamma ). Ten symbol fotonu prawdopodobnie pochodzi od promieni gamma , które zostały odkryte w 1900 roku przez Paula Villarda , nazwane przez Ernesta Rutherforda w 1903 roku i które w 1914 roku Rutherford i Edward Andrade wykazali , że są formą promieniowania elektromagnetycznego . W chemii i optyce fotony są zwykle symbolizowane przez , co jest energią fotonu , gdzie h jest stałą Plancka , a grecka litera ν ( nu ) jest częstotliwością fotonu . O wiele rzadziej foton może być symbolizowany przez hf , gdzie jego częstotliwość jest oznaczona przez f .

Właściwości fizyczne

Foton jest bezmasowy , nie ma ładunku elektrycznego i jest stabilną cząstką . W próżni foton ma dwa możliwe stany polaryzacji . Fotonów jest boson wskaźnik dla elektromagnetyzmu , a zatem wszystkie inne numery kwantowe fotonu (np Liczba Leptonowa , Liczba Barionowa i smak Quantum numery ) są zerowe. Ponadto foton nie jest zgodny z zasadą wykluczania Pauliego , ale podlega statystyce Bosego-Einsteina .

Fotony są emitowane w wielu naturalnych procesach. Na przykład, gdy ładunek jest przyspieszany , emituje promieniowanie synchrotronowe . Podczas molekularnego , atomowego lub jądrowego przejścia na niższy poziom energetyczny będą emitowane fotony o różnej energii, od fal radiowych po promienie gamma . Fotony mogą być również emitowane, gdy cząsteczka i odpowiadająca jej antycząstkaanihilowane (na przykład anihilacja elektronowo-pozytonowa ).

Relatywistyczna energia i pęd

Stożek pokazuje możliwe wartości 4-wektora falowego fotonu. Oś „czasu” podaje częstotliwość kątową ( rad⋅s- 1 ), a oś „przestrzeń” przedstawia liczbę falową kątową (rad⋅m- 1 ). Zielony i indygo reprezentują polaryzację lewą i prawą

W pustej przestrzeni foton porusza się z prędkością c ( prędkość światła ), a jego energia i pęd są powiązane równaniem E = pc , gdzie p jest wielkością wektora pędu p . Wynika to z następującej relacji relatywistycznej, gdzie m = 0 :

Energia i pęd fotonu zależą tylko od jego częstotliwości ( ) lub odwrotnie, jego długości fali ( λ ):

gdzie k jest wektorem falowym (gdzie liczba falowa k = | k | = 2π/ λ ), ω = 2π ν jest częstotliwością kątową , a ħ = h /2π jest zredukowaną stałą Plancka .

Ponieważ p wskazuje w kierunku propagacji fotonu, wielkość pędu wynosi

Foton niesie również wielkość zwaną spinowym momentem pędu , która nie zależy od jego częstotliwości. Ponieważ fotony zawsze poruszają się z prędkością światła, spin najlepiej wyraża się za pomocą składowej mierzonej wzdłuż kierunku ich ruchu, jej helicity , która musi wynosić + ħ lub −ħ . Te dwie możliwe helicity, zwane prawoskrętną i lewoskrętną, odpowiadają dwóm możliwym kołowym stanom polaryzacji fotonu.

Aby zilustrować znaczenie tych wzorów, anihilacja cząstki z jej antycząstką w wolnej przestrzeni musi skutkować powstaniem co najmniej dwóch fotonów z następującego powodu. W centrum kadru pędowego zderzające się antycząstki nie mają pędu wypadkowego, podczas gdy pojedynczy foton zawsze ma pęd (ponieważ, jak widzieliśmy, jest on determinowany częstotliwością lub długością fali fotonu, która nie może wynosić zero). Stąd zachowanie pędu (lub równoważnie, niezmienniczość translacyjna ) wymaga, aby co najmniej dwa fotony zostały utworzone, z zerowym pędem wypadkowym. (Jednak jest możliwe, że jeśli system oddziałuje z inną cząstką lub polem, aby anihilacja wytworzyła jeden foton, tak jak w przypadku anihilacji pozytonu ze związanym elektronem atomowym, możliwe jest wyemitowanie tylko jednego fotonu, jako jądrowe pole kulombowskie łamie symetrię translacyjną.) Energię dwóch fotonów lub równoważnie ich częstotliwość można wyznaczyć z zasady zachowania czteropędu .

Patrząc z innej strony, foton można uznać za własną antycząstkę (zatem „antyfoton” to po prostu zwykły foton). Proces odwrotny, produkcja par , jest dominującym mechanizmem, dzięki któremu fotony o wysokiej energii, takie jak promienie gamma, tracą energię podczas przechodzenia przez materię. Proces ten jest odwrotnością „anihilacji do jednego fotonu” dozwolonej w polu elektrycznym jądra atomowego.

Klasyczne wzory na energię i pęd promieniowania elektromagnetycznego można przełożyć na zdarzenia fotonowe. Na przykład ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego na obiekt pochodzi z przeniesienia pędu fotonu na jednostkę czasu i jednostkę powierzchni na ten obiekt, ponieważ ciśnienie jest siłą na jednostkę powierzchni, a siła jest zmianą pędu na jednostkę czasu.

Każdy foton przenosi dwie odrębne i niezależne formy momentu pędu światła . Spinowego momentu pędu światła danego fotonu jest zawsze albo + ħ lub - ħ . Światło orbitalnej pędu określonego fotonu może być dowolną liczbą całkowitą N , w tym zero.

Eksperymentalne kontrole masy fotonów

Obecne powszechnie akceptowane teorie fizyczne sugerują lub zakładają, że foton jest ściśle bezmasowy. Jeśli foton nie jest cząstką ściśle bezmasową, nie poruszałby się z dokładną prędkością światła c w próżni. Jego prędkość byłaby mniejsza i zależeć będzie od częstotliwości. Nie miałoby to wpływu na teorię względności; tak zwana prędkość światła, c , nie byłaby wtedy rzeczywistą prędkością, z jaką porusza się światło, ale stałą natury, która jest górną granicą prędkości, jaką jakikolwiek obiekt mógłby teoretycznie osiągnąć w czasoprzestrzeni. Zatem nadal byłaby to prędkość fal czasoprzestrzennych ( fal grawitacyjnych i grawitonów ), ale nie byłaby to prędkość fotonów.

Gdyby foton miał niezerową masę, byłyby również inne efekty. Zmodyfikowałoby się prawo Coulomba, a pole elektromagnetyczne miałoby dodatkowy fizyczny stopień swobody . Efekty te dają bardziej czułe eksperymentalne sondy masy fotonów niż zależność częstotliwościowa prędkości światła. Jeśli prawo Coulomba nie jest dokładnie ważne, to pozwoliłoby to na obecność pola elektrycznego w pustym przewodniku, gdy jest on poddany zewnętrznemu polu elektrycznemu. Zapewnia to środki do bardzo precyzyjnych testów prawa Coulomba . Zerowy wynik takiego eksperymentu wyznaczył granicę m10 -14  eV / C 2 .

Wyraźniejsze górne granice masy światła uzyskano w eksperymentach mających na celu wykrycie efektów wywołanych przez wektorowy potencjał galaktyczny . Chociaż potencjał wektora galaktycznego jest bardzo duży, ponieważ galaktyczne pole magnetyczne istnieje w bardzo dużych skalach długości, tylko pole magnetyczne byłoby obserwowalne, jeśli foton jest bezmasowy. W przypadku, gdy foton ma masę, termometr masowy1/2m 2 A μ A μ wpłynęłoby na plazmę galaktyczną. Fakt, że takie efekty nie są widoczne, implikuje górną granicę masy fotonu m <3 x 10 -27  eV / C 2 . Potencjał wektora galaktycznego można również sondować bezpośrednio, mierząc moment wywierany na namagnesowany pierścień. Takie metody zostały wykorzystane do uzyskania ostrzejszej górnej granicy1,07 × 10 −27  eV/ c 2 (odpowiednik10 -36  daltonów ) podanymi przez cząstek Data Group .

Wykazano, że te ostre granice wynikające z braku obserwacji efektów wywołanych przez potencjał wektora galaktycznego są zależne od modelu. Jeśli masa fotonu jest generowana przez mechanizm Higgsa, to górna granica m10 -14  eV/ c 2 z testu prawa Coulomba jest ważne.

Rozwój historyczny

Eksperyment Thomasa Younga z podwójną szczeliną w 1801 roku wykazał, że światło może działać jak fala , pomagając unieważnić wczesne teorie cząstek światła.

W większości teorii do XVIII wieku światło przedstawiano jako zbudowane z cząstek. Ponieważ modele cząstek nie mogą łatwo wyjaśnić załamania , dyfrakcji i dwójłomności światła, teorie falowe światła zaproponowali René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) i Christiaan Huygens (1678); jednak modele cząstek pozostały dominujące, głównie ze względu na wpływ Izaaka Newtona . Na początku XIX wieku Thomas Young i August Fresnel wyraźnie zademonstrowali interferencję i dyfrakcję światła, a do 1850 roku modele falowe zostały ogólnie przyjęte. Przewidywanie Jamesa Clerka Maxwella z 1865 r., że światło jest falą elektromagnetyczną – które zostało potwierdzone eksperymentalnie w 1888 r. przez detekcję fal radiowych Heinricha Hertza – wydawało się być ostatecznym ciosem w cząsteczkowe modele światła.

W 1900 roku teoretyczny model światła Maxwella jako oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych wydawał się kompletny. Jednak kilku obserwacji nie można było wyjaśnić żadnym modelem falowym promieniowania elektromagnetycznego , co doprowadziło do wniosku, że energia świetlna została upakowana w kwanty opisane przez E = . Późniejsze eksperymenty wykazały, że te kwanty światła również przenoszą pęd, a zatem mogą być uważane za cząstki : narodziła się koncepcja fotonów , prowadząca do głębszego zrozumienia samych pól elektrycznych i magnetycznych.

Teoria fal Maxwell jednak nie uwzględnia wszystkich właściwości światła. Teoria Maxwella przewiduje, że energia fali świetlnej zależy tylko od jej natężenia , a nie od częstotliwości ; niemniej jednak kilka niezależnych rodzajów eksperymentów pokazuje, że energia przekazywana przez światło atomom zależy tylko od częstotliwości światła, a nie od jego intensywności. Na przykład niektóre reakcje chemiczne są wywoływane tylko przez światło o częstotliwości wyższej niż określony próg; światło o częstotliwości niższej niż próg, niezależnie od intensywności, nie inicjuje reakcji. Podobnie elektrony mogą być wyrzucane z metalowej płytki poprzez oświetlanie jej światłem o odpowiednio wysokiej częstotliwości ( efekt fotoelektryczny ); energia wyrzuconego elektronu jest związana tylko z częstotliwością światła, a nie z jego natężeniem.

Jednocześnie badania promieniowania ciała doskonale czarnego prowadzone w ciągu czterech dekad (1860–1900) przez różnych badaczy doprowadziły do hipotezy Maxa Plancka , że energia dowolnego układu pochłaniającego lub emitującego promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości ν jest całkowitą wielokrotnością kwantu energii E = . Jak wykazał Albert Einstein , należy założyć , że jakaś forma kwantyzacji energii wyjaśnia równowagę termiczną obserwowaną między materią a promieniowaniem elektromagnetycznym ; za to wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Ponieważ teoria światła Maxwella dopuszcza wszystkie możliwe energie promieniowania elektromagnetycznego, większość fizyków początkowo zakładała, że ​​kwantyzacja energii wynikała z jakiegoś nieznanego ograniczenia materii pochłaniającej lub emitującej promieniowanie. W 1905 Einstein jako pierwszy zaproponował, że kwantyzacja energii jest właściwością samego promieniowania elektromagnetycznego. Chociaż akceptował słuszność teorii Maxwella, Einstein zwrócił uwagę, że wiele anomalnych eksperymentów można wyjaśnić, jeśli energia Maxwellowskiej fali świetlnej zostanie zlokalizowana w punktowych kwantach, które poruszają się niezależnie od siebie, nawet jeśli sama fala jest rozłożona w sposób ciągły przestrzeń. W latach 1909 i 1916 Einstein wykazał, że jeśli zaakceptuje się prawo Plancka dotyczące promieniowania ciała doskonale czarnego, kwanty energii muszą również przenosić pęd p = h / λ , co czyni je pełnoprawnymi cząstkami. Ten pęd fotonu został zaobserwowany eksperymentalnie przez Arthura Comptona , za który otrzymał Nagrodę Nobla w 1927 roku. Zasadnicze pytanie brzmiało wówczas: jak powiązać falową teorię światła Maxwella z jej doświadczalnie obserwowaną cząstkową naturą? Odpowiedź na to pytanie zajęła Albertowi Einsteinowi resztę życia i została rozwiązana w elektrodynamice kwantowej i jej następcy, Modelu Standardowym . (Patrz § Druga kwantyzacja i § Jako bozon cechowania poniżej).

Aż do 1923 roku większość fizyków niechętnie przyjmowała, że ​​samo światło jest skwantowane. Zamiast tego, starali się wyjaśnić zachowanie fotonów przez kwantyzacji tylko kwestia , jak w modelu Bohra w atomie wodoru (pokazane tutaj). Mimo że te półklasyczne modele były tylko pierwszym przybliżeniem, były dokładne dla prostych układów i doprowadziły do mechaniki kwantowej .

Prognozy Einsteina z 1905 roku zostały zweryfikowane eksperymentalnie na kilka sposobów w pierwszych dwóch dekadach XX wieku, jak opisano w wykładzie Nobla Roberta Millikana . Jednak zanim eksperyment Comptona wykazał, że fotony niosą pęd proporcjonalny do ich liczby fal (1922), większość fizyków niechętnie wierzyła, że ​​samo promieniowanie elektromagnetyczne może być cząstkowe. (Patrz na przykład wykłady Nobla Wien , Planck i Millikan.) Zamiast tego panowało powszechne przekonanie, że kwantyzacja energii wynika z jakiegoś nieznanego ograniczenia materii, która pochłania lub emituje promieniowanie. Postawy zmieniały się z biegiem czasu. Częściowo zmianę tę można przypisać eksperymentom takim jak te ujawniające rozpraszanie Comptona , gdzie znacznie trudniej było nie przypisywać kwantyzacji samemu światłu, aby wyjaśnić obserwowane wyniki.

Nawet po eksperymencie Comptona Niels Bohr , Hendrik Kramers i John Slater podjęli ostatnią próbę zachowania Maxwellowskiego modelu ciągłego pola elektromagnetycznego światła, tak zwanej teorii BKS . Ważną cechą teorii BKS jest to, jak traktowała ona zachowanie energii i zachowanie pędu . W teorii BKS energia i pęd są zachowywane tylko średnio w wielu interakcjach między materią a promieniowaniem. Jednak udoskonalone eksperymenty Comptona wykazały, że prawa zachowania obowiązują dla indywidualnych interakcji. W związku z tym Bohr i jego współpracownicy oddali swój model „jak najbardziej honorowy pogrzeb”. Niemniej jednak niepowodzenia modelu BKS zainspirowały Wernera Heisenberga w jego rozwoju mechaniki macierzowej .

Kilku fizyków upierało się przy opracowywaniu modeli półklasycznych, w których promieniowanie elektromagnetyczne nie jest skwantowane, ale materia wydaje się przestrzegać praw mechaniki kwantowej . Chociaż dowody z eksperymentów chemicznych i fizycznych na istnienie fotonów były przytłaczające w latach 70., dowodów tych nie można było uznać za absolutnie definitywne; ponieważ opierała się na interakcji światła z materią, a wystarczająco kompletna teoria materii mogłaby w zasadzie wyjaśnić dowody. Niemniej jednak wszystkie semiklasyczne teorie zostały definitywnie obalone w latach 70. i 80. przez eksperymenty z korelacją fotonów. Stąd hipoteza Einsteina, że ​​kwantyzacja jest właściwością samego światła, jest uważana za udowodnioną.

Zasada dualizmu falowo-cząsteczkowego i nieoznaczoności

Fotony w interferometrze Macha-Zehndera wykazują interferencję falową i detekcję podobną do cząstek w detektorach jednofotonowych .

Fotony podlegają prawom mechaniki kwantowej, więc ich zachowanie ma zarówno aspekty falowe, jak i cząsteczkowe. Kiedy foton zostanie wykryty przez przyrząd pomiarowy, jest rejestrowany jako pojedyncza, cząsteczkowa jednostka. Jednak prawdopodobieństwo wykrycia fotonu oblicza się za pomocą równań opisujących fale. Ta kombinacja aspektów jest znana jako dualność falowo-cząsteczkowa . Na przykład rozkład prawdopodobieństwa dla miejsca, w którym foton może zostać wykryty, pokazuje wyraźnie zjawiska falowe, takie jak dyfrakcja i interferencja . Pojedynczy foton przechodzący przez eksperyment z podwójną szczeliną ląduje na ekranie z rozkładem prawdopodobieństwa określonym przez jego wzór interferencyjny określony równaniami Maxwella . Jednak eksperymenty potwierdzają, że foton nie jest krótkim impulsem promieniowania elektromagnetycznego; nie rozprzestrzenia się w miarę propagacji, ani nie dzieli się, gdy napotyka dzielnik wiązki . A foton wydaje się cząstek punktowych , ponieważ jest on absorbowany lub emitowane jako całość przez dowolnie małych instalacjach, w tym układy znacznie mniejsza niż długość fali, takie jak jądra atomowego (≈10 -15 m długości) lub nawet elektron punktowy .

Podczas gdy wiele tekstów wprowadzających traktuje fotony za pomocą matematycznych technik nierelatywistycznej mechaniki kwantowej, jest to w pewnym sensie niezręczne nadmierne uproszczenie, ponieważ fotony są z natury wewnętrznie relatywistyczne. Ponieważ fotony mają zerową masę spoczynkową , żadna funkcja falowa zdefiniowana dla fotonu nie może mieć wszystkich właściwości znanych z funkcji falowych w nierelatywistycznej mechanice kwantowej. Aby uniknąć tych trudności, fizycy stosują opisaną poniżej drugą skwantowaną teorię fotonów, elektrodynamikę kwantową , w której fotony są skwantowanymi wzbudzeniami modów elektromagnetycznych.

Kolejną trudnością jest znalezienie odpowiedniego odpowiednika dla zasady nieoznaczoności , idei często przypisywanej Heisenbergowi, który wprowadził tę koncepcję do analizy eksperymentu myślowego z udziałem elektronu i fotonu o wysokiej energii . Jednak Heisenberg nie podał dokładnych matematycznych definicji tego, co oznaczała „niepewność” w tych pomiarach. Dokładne matematyczne stwierdzenie zasady nieoznaczoności pozycja-pęd jest dziełem Kennarda , Pauliego i Weyla . Zasada nieoznaczoności dotyczy sytuacji, w których eksperymentator ma do wyboru pomiar jednej z dwóch „kanonicznie sprzężonych” wielkości, takich jak położenie i pęd cząstki. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, bez względu na sposób przygotowania cząstki, nie jest możliwe precyzyjne przewidzenie obu alternatywnych pomiarów: jeśli wynik pomiaru położenia jest bardziej pewny, wynik pomiaru pędu staje się mniej i na odwrót. Spójny stan minimalizuje całkowitą niepewność miarę mechaniki kwantowej pozwala. Optyka kwantowa wykorzystuje stany koherentne dla modów pola elektromagnetycznego. Pomiędzy pomiarami amplitudy fali elektromagnetycznej a jej fazą istnieje kompromis, przypominający relację położenia i niepewności pędu. Niekiedy wyraża się to nieformalnie jako niepewność liczby fotonów obecnych w fali elektromagnetycznej , oraz niepewność fazy fali , . Nie może to być jednak relacja niepewności typu Kennard–Pauli–Weyl, ponieważ w przeciwieństwie do położenia i pędu, faza nie może być reprezentowana przez operator hermitowski .

Model Bosego-Einsteina gazu fotonowego

W 1924 Satyendra Nath Bose wyprowadził prawo Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego bez użycia elektromagnetyzmu, ale raczej poprzez modyfikację gruboziarnistego liczenia przestrzeni fazowej . Einstein wykazał, że ta modyfikacja jest równoznaczna z założeniem, że fotony są ściśle identyczne i że implikuje „tajemniczą nielokalną interakcję”, rozumianą obecnie jako wymóg symetrycznego stanu mechaniki kwantowej . Prace te doprowadziły do ​​koncepcji stanów koherentnych i opracowania lasera. W tych samych artykułach Einstein rozszerzył formalizm Bosego na cząstki materialne (bozony) i przewidział, że skondensują się one do najniższego stanu kwantowego w wystarczająco niskich temperaturach; tę kondensację Bosego-Einsteina zaobserwowano eksperymentalnie w 1995 roku. Została później użyta przez Lene Hau do spowolnienia, a następnie całkowitego zatrzymania światła w latach 1999 i 2001.

Współczesny pogląd na to jest taki, że fotony są, ze względu na swój całkowity spin, bozonami (w przeciwieństwie do fermionów o spinie połówkowym). Według twierdzenia o statystyce spinowej wszystkie bozony podlegają statystyce Bosego-Einsteina (podczas gdy wszystkie fermiony podlegają statystyce Fermiego-Diraca ).

Emisja stymulowana i spontaniczna

Emisja stymulowana (w której fotony „klonują się”) została przewidziana przez Einsteina w jego analizie kinetycznej i doprowadziła do opracowania lasera . Wyprowadzenie Einsteina zainspirowało dalszy rozwój kwantowej obróbki światła, co doprowadziło do statystycznej interpretacji mechaniki kwantowej.

W 1916 Albert Einstein wykazał, że prawo promieniowania Plancka można wyprowadzić z półklasycznego, statystycznego traktowania fotonów i atomów, co implikuje związek między szybkościami, z jakimi atomy emitują i absorbują fotony. Warunek ten wynika z założenia, że ​​funkcje emisji i pochłaniania promieniowania przez atomy są od siebie niezależne, a równowaga termiczna powstaje w wyniku oddziaływania promieniowania z atomami. Rozważmy wnękę w równowadze termicznej ze wszystkimi jej częściami i wypełnioną promieniowaniem elektromagnetycznym, a atomy mogą emitować i pochłaniać to promieniowanie. Równowaga termiczna wymaga, aby gęstość energii fotonów o częstotliwości (która jest proporcjonalna do ich gęstości liczbowej ) była średnio stała w czasie; stąd szybkość, z jaką fotony o dowolnej częstotliwości są emitowane, musi być równa szybkości, z jaką są one pochłaniane .

Einstein zaczął od postulowania prostych relacji proporcjonalności dla różnych szybkości reakcji. W jego modelu szybkość dla systemu absorbują fotony o częstotliwość i przechodzenia od niższej energii do wyższej energii jest proporcjonalne do liczby atomów energii i gęstości energii fotonów otoczenia tej częstotliwości,

gdzie jest stałą szybkości wchłaniania. W przypadku procesu odwrotnego istnieją dwie możliwości: spontaniczna emisja fotonu lub emisja fotonu inicjowana przez interakcję atomu z przechodzącym fotonem i powrót atomu do stanu o niższej energii. Zgodnie z podejściem Einsteina odpowiednia szybkość emisji fotonów o częstotliwości i przejścia z wyższej energii na niższą energię jest

gdzie jest stałą szybkości dla spontanicznej emisji fotonu i jest stałą szybkości dla emisji w odpowiedzi na fotony otoczenia ( emisja indukowana lub stymulowana ). W równowadze termodynamicznej liczba atomów w stanie i w stanie musi być przeciętnie stała; stąd stawki i muszą być równe. Również argumenty analogiczne do pozyskiwania statystyk Boltzmann , stosunek i jest gdzie i są degeneracja państwa i że z , odpowiednio, a ich energie, stała Boltzmanna i systemu temperatury . Z tego łatwo wynika, że i

I są wspólnie określane jako współczynniki Einsteina .

Einstein nie mógł w pełni uzasadnić swoich równań szybkości, ale twierdził, że powinno być możliwe obliczenie współczynników , a gdy fizycy uzyskali „mechanikę i elektrodynamikę zmodyfikowaną w celu dostosowania do hipotezy kwantowej”. Niedługo potem, w 1926 roku, Paul Dirac wyprowadził stałe szybkości, stosując podejście półklasyczne, aw 1927 udało mu się wyprowadzić wszystkie stałe szybkości z pierwszych zasad w ramach teorii kwantowej. Praca Diraca była podstawą elektrodynamiki kwantowej, czyli kwantyzacji samego pola elektromagnetycznego. Podejście Diraca jest również nazywane drugą kwantyzacją lub kwantową teorią pola ; wcześniejsze zabiegi mechaniki kwantowej traktują jedynie cząstki materialne jako mechanikę kwantową, a nie pole elektromagnetyczne.

Einsteina niepokoił fakt, że jego teoria wydawała się niekompletna, ponieważ nie określała kierunku spontanicznie emitowanego fotonu. Probabilistyczna natura ruchu cząstek światła została po raz pierwszy rozważona przez Newtona w jego leczeniu dwójłomności i, bardziej ogólnie, rozszczepiania wiązek światła na granicy faz na wiązkę przechodzącą i wiązkę odbitą. Newton postawił hipotezę, że ukryte zmienne w cząstce światła determinują, którą z dwóch ścieżek obędzie pojedynczy foton. Podobnie Einstein miał nadzieję na pełniejszą teorię, która nie pozostawiłaby niczego przypadkowi, rozpoczynając jego oddzielenie od mechaniki kwantowej. Paradoksalnie, Max Born „s probabilistyczna interpretacja z funkcji falowej był inspirowany przez późniejszego poszukiwania pracy Einsteina dla pełniejszej teorii.

Kwantowa teoria pola

Kwantyzacja pola elektromagnetycznego

Różne mody elektromagnetyczne (takie jak te przedstawione tutaj) można traktować jako niezależne proste oscylatory harmoniczne . Foton odpowiada jednostce energii E  =  w trybie elektromagnetycznym.

W 1910 Peter Debye wyprowadził prawo Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego ze stosunkowo prostego założenia. Rozłożył pole elektromagnetyczne we wnęce na jego mody Fouriera i założył, że energia w dowolnym modzie jest całkowitą wielokrotnością , gdzie jest częstotliwością modu elektromagnetycznego. Prawo Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego występuje natychmiast jako suma geometryczna. Jednak podejście Debye'a nie dało poprawnego wzoru na fluktuacje energii promieniowania ciała doskonale czarnego, które zostały wyprowadzone przez Einsteina w 1909 roku.

W 1925 roku Born , Heisenberg i Jordan dokonali reinterpretacji koncepcji Debye'a w kluczowy sposób. Jak może być pokazane Klasycznie tryby Fouriera z pola elektromagnetycznego -a kompletem płaszczyźnie fal elektromagnetycznych indeksowanych ich fali wektora k i stanu polaryzacji, są równoważne do zestawu niezwiązanych prostych oscylatora harmonicznego . Potraktowane mechanicznie kwantowo, poziomy energii takich oscylatorów są znane jako , gdzie jest częstotliwość oscylatora. Kluczowym nowym krokiem było zidentyfikowanie modu elektromagnetycznego z energią jako stanem z fotonami, z których każdy ma energię . Takie podejście daje poprawną formułę wahań energii.

Diagram Feynmana dwóch elektronów oddziałujących poprzez wymianę wirtualnego fotonu.

Dirac poszedł o krok dalej. Traktował interakcję między ładunkiem a polem elektromagnetycznym jako małe zaburzenie, które indukuje przejścia w stanach fotonowych, zmieniając liczbę fotonów w modach, zachowując jednocześnie energię i pęd. Dirac był w stanie wyprowadzić Einsteina i współczynniki z pierwszych zasad i wykazał, że statystyki Bosego-Einsteina dotyczące fotonów są naturalną konsekwencją prawidłowego kwantowania pola elektromagnetycznego (rozumowanie Bosego poszło w przeciwnym kierunku; wyprowadził prawo Plancka dotyczące promieniowania ciała doskonale czarnego przez zakładając statystyki B-E). W czasach Diraca nie było jeszcze wiadomo, że wszystkie bozony, w tym fotony, muszą podlegać statystyce Bosego-Einsteina.

Teoria zaburzeń drugiego rzędu Diraca może obejmować wirtualne fotony , przejściowe stany pośrednie pola elektromagnetycznego; w statycznych oddziaływaniach elektrycznych i magnetycznych pośredniczą takie wirtualne fotony. W takich teorii pola kwantowa The amplituda prawdopodobieństwo obserwowalnych zdarzeń jest obliczany przez zsumowanie wszystkich możliwych etapów pośrednich, nawet te, które są unphysical; stąd wirtualne fotony nie są ograniczone do spełnienia i mogą mieć dodatkowe stany polaryzacji ; w zależności od skrajni używane, wirtualne fotony mogą mieć trzy lub cztery stany polaryzacji zamiast dwóch stanów rzeczywistych fotonów. Chociaż tych przejściowych fotonów wirtualnych nigdy nie można zaobserwować, przyczyniają się one w wymierny sposób do prawdopodobieństwa obserwowalnych zdarzeń. Rzeczywiście, takie obliczenia zaburzeń drugiego i wyższego rzędu mogą dać pozornie nieskończony wkład do sumy. Takie niefizyczne wyniki są korygowane przy użyciu techniki renormalizacji .

Do sumowania mogą również przyczynić się inne cząstki wirtualne; na przykład dwa fotony mogą oddziaływać pośrednio poprzez wirtualne pary elektronpozyton . Takie rozpraszanie foton–foton (patrz fizyka dwufotonowa ), a także rozpraszanie elektron–foton, ma być jednym z trybów działania planowanego akceleratora cząstek, Międzynarodowego Zderzacza Liniowego .

We współczesnej notacji fizyki stan kwantowy pola elektromagnetycznego jest zapisywany jako stan Focka , iloczyn tensorowy stanów dla każdego modu elektromagnetycznego

gdzie reprezentuje stan, w którym fotony są w trybie . W tym zapisie tworzenie nowego fotonu w trybie (np. wyemitowanego z przejścia atomowego) jest zapisane jako . Ten zapis jedynie wyraża koncepcję Borna, Heisenberga i Jordana opisaną powyżej i nie dodaje żadnej fizyki.

Jako bozon miernika

Pole elektromagnetyczne może być rozumiane jako pole cechowania , tj. jako pole, które wynika z wymagania, aby symetria cechowania utrzymywała się niezależnie w każdym położeniu w czasoprzestrzeni . Dla pola elektromagnetycznego , wskaźnik ten symetria jest abelową U (1) symetrii o liczbach zespolonych wartości bezwzględnej 1, który odzwierciedla możliwość zmiany fazy złożonego dziedzinie bez naruszania obserwable lub wartościach rzeczywistych funkcji wykonanych z niego, takich jak The energii lub Lagrange'a .

Kwanty abelowego pola cechowania muszą być bezmasowymi, nienaładowanymi bozonami, o ile nie zostanie złamana symetria; stąd przewiduje się, że foton będzie bezmasowy, będzie miał zerowy ładunek elektryczny i całkowity spin. Szczególna forma oddziaływania elektromagnetycznego określa, że ​​foton musi mieć spin ±1; zatem jego helicity musi być . Te dwa komponenty spinowe odpowiadają klasycznym pojęciom prawoskrętnego i lewoskrętnego światła spolaryzowanego kołowo . Jednak przemijające wirtualne fotony z elektrodynamiki kwantowej może również przyjąć unphysical stany polaryzacji.

W obowiązującym Modelu Standardowym fizyki foton jest jednym z czterech bozonów cechowania w oddziaływaniu elektrosłabym ; pozostałe trzy są oznaczone W + , W - , a Z 0 i są odpowiedzialne za słabą interakcji . W przeciwieństwie do fotonu, te bozony cechowania mają masę , dzięki mechanizmowi, który łamie ich symetrię cechowania SU(2) . Unifikacji fotonu z bozonami cechowania W i Z w oddziaływaniu elektrosłabym dokonali Sheldon Glashow , Abdus Salam i Steven Weinberg , za co otrzymali w 1979 roku Nagrodę Nobla z fizyki. Fizycy w dalszym ciągu stawiają hipotezy o wielkich zunifikowanych teoriach, które łączą te cztery bozony cechowania z ośmioma bozonami cechowania gluonów chromodynamiki kwantowej ; jednak kluczowe przewidywania tych teorii, takie jak rozpad protonu , nie zostały zaobserwowane eksperymentalnie.

Właściwości hadronowe

Pomiary interakcji między energetycznymi fotonami a hadronami pokazują, że oddziaływanie to jest znacznie bardziej intensywne niż oczekiwano przy oddziaływaniu samych fotonów z ładunkiem elektrycznym hadronu. Ponadto oddziaływanie energetycznych fotonów z protonami jest podobne do oddziaływania fotonów z neutronami, mimo że struktury ładunku elektrycznego protonów i neutronów są zasadniczo różne. Aby wyjaśnić ten efekt, opracowano teorię o nazwie Vector Meson Dominance (VMD). Według VMD foton jest superpozycją czystego fotonu elektromagnetycznego, który oddziałuje tylko z ładunkami elektrycznymi i mezonami wektorowymi. Jednak w przypadku eksperymentalnego badania na bardzo krótkich odległościach wewnętrzna struktura fotonu jest rozpoznawana jako strumień składników kwarkowych i gluonowych, quasi-wolny zgodnie z asymptotyczną swobodą w QCD i opisany funkcją struktury fotonu . Kompleksowe porównanie danych z przewidywaniami teoretycznymi zostało przedstawione w przeglądzie w 2000 roku.

Wkłady do masy systemu

Energia systemu emitującego foton jest pomniejszana o energię fotonu mierzoną w pozostałej ramce systemu emitującego, co może skutkować zmniejszeniem masy w ilości . Podobnie masa układu pochłaniającego foton zwiększa się o odpowiednią wartość. Jako zastosowanie, bilans energetyczny reakcji jądrowych z udziałem fotonów jest zwykle zapisywany w kategoriach mas zaangażowanych jąder i terminów postaci dla fotonów gamma (oraz innych istotnych energii, takich jak energia odrzutu jąder).

Ta koncepcja jest stosowana w kluczowych przewidywaniach elektrodynamiki kwantowej (QED, patrz wyżej). W tej teorii masa elektronów (lub ogólniej leptonów) jest modyfikowana przez uwzględnienie udziału masy wirtualnych fotonów w technice znanej jako renormalizacja . Takie „ radiacyjne korekty ” przyczynia się do licznych przewidywania QED, takich jak moment magnetyczny dipol z leptony , z przesunięciem Lamb oraz struktury nadsubtelnym związanego leptonowych par, takich jak mionium i pozytonium .

Ponieważ fotony przyczynić się do tensor napięć-energii , wywierają one przyciągania grawitacyjnego na innych obiektach, zgodnie z teorią względności . I odwrotnie, na fotony oddziałuje grawitacja; ich normalnie proste trajektorie mogą być zakrzywione przez zakrzywioną czasoprzestrzeń , jak w soczewkowaniu grawitacyjnym , a ich częstotliwości można obniżyć , przechodząc do wyższego potencjału grawitacyjnego , jak w eksperymencie Pounda-Rebki . Jednak te efekty nie są specyficzne dla fotonów; dokładnie takie same efekty byłyby przewidywane dla klasycznych fal elektromagnetycznych .

W materii

Światło, które przechodzi przez przezroczystą materię, robi to z mniejszą prędkością niż c , prędkość światła w próżni. Współczynnik, o który zmniejsza się prędkość, nazywany jest współczynnikiem załamania materiału. W klasycznym obrazie falowym spowolnienie można wytłumaczyć światłem wywołującym polaryzację elektryczną w materii, spolaryzowaną materię promieniującą nowym światłem oraz tym nowym światłem, które zakłóca pierwotną falę świetlną, tworząc falę opóźnioną. W obrazie cząstek spowolnienie można zamiast tego opisać jako mieszanie się fotonu z wzbudzeniami kwantowymi materii w celu wytworzenia quasi-cząstek znanych jako polaryton (zobacz tę listę dla kilku innych quasi-cząstek); ten polaryton ma niezerową masę efektywną , co oznacza , że nie może podróżować w c . Światło o różnych częstotliwościach może przemieszczać się przez materię z różnymi prędkościami ; nazywa się to dyspersją (nie mylić z rozpraszaniem). W niektórych przypadkach może to skutkować bardzo wolnymi prędkościami światła w materii. Efekty oddziaływań fotonów z innymi quasi-cząstkami można zaobserwować bezpośrednio w rozpraszaniu Ramana i Brillouina .

Fotony mogą być rozpraszane przez materię. Na przykład fotony wchodzą w tak wiele zderzeń w drodze z jądra Słońca, że energia promieniowania może dotrzeć do powierzchni około miliona lat; jednak w otwartej przestrzeni foton potrzebuje tylko 8,3 minuty, aby dotrzeć do Ziemi.

Fotony mogą być również absorbowane przez jądra, atomy lub cząsteczki, prowokując przejścia między ich poziomami energetycznymi . Klasycznym przykładem jest przemiana molekularna siatkówki (C 20 H 28 O), która odpowiada za widzenie , odkryta w 1958 roku przez laureata Nagrody Nobla biochemika George'a Walda i współpracowników. Wchłanianie wywołuje izomeryzację cis-trans, która w połączeniu z innymi tego typu przejściami jest przekształcana w impulsy nerwowe. Absorpcja fotonów może nawet przełamać wiązania chemiczne, takie jak na fotodysocjacja od chloru ; to jest temat fotochemii .

Zastosowania technologiczne

Fotony mają wiele zastosowań w technologii. Przykłady te wybrano do zilustrowania zastosowań fotonów per se , a nie ogólnych urządzeń optycznych, takich jak soczewki itp., które mogłyby działać w ramach klasycznej teorii światła. Laser jest niezwykle ważnym zastosowaniem i został omówiony powyżej w ramach emisji wymuszonej .

Pojedyncze fotony można wykryć kilkoma metodami. Klasyczna lampa fotopowielacza wykorzystuje efekt fotoelektryczny : foton o wystarczającej energii uderza w metalową płytkę i wybija elektron, inicjując ciągle wzmacniającą się lawinę elektronów. Układy półprzewodnikowe ze sprzężonym ładunkiem wykorzystują podobny efekt: padający foton generuje ładunek na mikroskopijnym kondensatorze, który można wykryć. Inne detektory, takie jak liczniki Geigera, wykorzystują zdolność fotonów do jonizacji cząsteczek gazu zawartych w urządzeniu, powodując wykrywalną zmianę przewodnictwa gazu.

Wzór Plancka na energię jest często używany przez inżynierów i chemików w projektowaniu, zarówno do obliczenia zmiany energii wynikającej z absorpcji fotonów, jak i do określenia częstotliwości światła emitowanego z danej emisji fotonów. Na przykład, widmo emisji z lampą wyładowczą może być zmieniany poprzez napełnienie (mieszaniny) gazy z różnych elektronicznych poziom energii konfiguracjach.

W pewnych warunkach przejście energii może zostać wzbudzone przez „dwa” fotony, które pojedynczo byłyby niewystarczające. Pozwala to na wykonanie mikroskopii o wyższej rozdzielczości, ponieważ próbka absorbuje energię tylko w widmie, w którym dwie wiązki o różnych kolorach nakładają się znacząco, co może być znacznie mniejsze niż objętość wzbudzenia pojedynczej wiązki (patrz mikroskopia wzbudzenia dwufotonowego ). Co więcej, fotony te powodują mniejsze uszkodzenia próbki, ponieważ mają niższą energię.

W niektórych przypadkach dwie przemiany energii mogą być sprzężone tak, że gdy jeden system pochłania foton, inny pobliski system „kradnie” jego energię i ponownie emituje foton o innej częstotliwości. Jest to podstawa transferu energii rezonansu fluorescencji , techniki wykorzystywanej w biologii molekularnej do badania interakcji odpowiednich białek .

Kilka różnych rodzajów sprzętowych generatorów liczb losowych obejmuje detekcję pojedynczych fotonów. W jednym przykładzie, dla każdego bitu w losowej sekwencji, która ma zostać wytworzona, foton jest wysyłany do rozdzielacza wiązki . W takiej sytuacji są dwa możliwe wyniki o równym prawdopodobieństwie. Rzeczywisty wynik jest używany do określenia, czy następny bit w sekwencji to „0” czy „1”.

Optyka kwantowa i obliczenia

Wiele badań poświęcono zastosowaniom fotonów w dziedzinie optyki kwantowej . Fotony wydają się dobrze przystosowane do bycia elementami niezwykle szybkiego komputera kwantowego , a kwantowe splątanie fotonów jest przedmiotem badań. Innym aktywnym obszarem badań są nieliniowe procesy optyczne , obejmujące takie zagadnienia, jak absorpcja dwufotonowa , samomodulacja fazy , niestabilność modulacyjna i optyczne oscylatory parametryczne . Jednak takie procesy na ogół nie wymagają założenia fotonów per se ; często można je modelować, traktując atomy jako oscylatory nieliniowe. Nieliniowy proces spontanicznej parametrycznej konwersji w dół jest często używany do wytwarzania stanów jednofotonowych. Wreszcie fotony są niezbędne w niektórych aspektach komunikacji optycznej , zwłaszcza w kryptografii kwantowej .

Fizyka dwóch fotonów bada interakcje między fotonami, które są rzadkie. W 2018 roku naukowcy z MIT ogłosili odkrycie związanych trypletów fotonowych, które mogą obejmować polarytony .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Według daty publikacji:

Edukacja z pojedynczymi fotonami:

Zewnętrzne linki

  • Cytaty związane z Photonem w Wikiquote
  • Słownikowa definicja fotonu w Wikisłowniku
  • Multimedia związane z Photonem w Wikimedia Commons