Фотон света (11.11.2021 г.)

Ученые давно доказали, что Вселенная состоит из мельчайших частиц, среди них самой распространенной является разновидность бозона — фотон. Это квазичастица с целым значением спина. Строение и природу фотона объясняет теория корпускулярно-волнового дуализма. Согласно теории, это одновременно частица света и электромагнитные волны, которые переносят электромагнитные взаимодействия.

У фотона нет массы, микрочастица способна существовать, только двигаясь со скоростью света, а ее электрический заряд равняется нулю. Частица стоит особняком в физических теориях, потому что не имеет антипода из-за отсутствия заряда и массы.

Исторические факты

Развитие научной мысли для определения характеристик микрочастицы базировалось на физической теории о корпускулярно-волновом дуализме. Ученые спорили, что же есть фотон: частица или волна? Приверженцем первой теории был И. Ньютон, а второй Х. Гюйгенс. Ньютоновская теория на определенный момент времени победила, и большая часть физиков стала считать фотон частицей. Когда начались исследования дифракции и интерференции света, сторонники волновой теории опять взяли верх.

Точку в споре поставил А. Эйнштейн, основатель квантовой физики и теории относительности. Ученый доказал, что фотон проявляет различные свойства в зависимости от обстоятельств, в которых он находится. Этот постулат смог объяснить многие процессы, происходящие во Вселенной.

Практическое применение

Эксперименты с частицами света позволили исследователям реализовать на практике использование лазерного луча. Опыты с фотонами, начатыми еще Эйнштейном, показали, что облучение атомов светом вызывают цепную реакцию образования фотонов, которые начинают излучать свет. На основе теории индуцированного излучения заработали лазерные системы, которые нашли применение в производстве, медицине, косметологии, металлообработке, микроэлектронике и других областях науки и техники.

Эйнштейн предположил, что, если фотоны охладить до нуля, то образуется совершенно новый вид материи, неизвестный человеку. Физик заложил основу для изучения свойств этого вида бозона, в XXI веке эксперименты продолжаются в Большом адронном коллайдере. Вполне вероятно, что на основе опытов с фотонами удастся далеко продвинуться в сфере технологий, основанных на взаимодействии микрочастиц.

Как выглядит частица?

Первые результаты по исследованию фотона уже достигнуты, в 2016 году определили, как выглядит частица внешне. Польским физикам удалось изобразить ее голограмму, направив два световых луча на светоделитель, сделанный из кальцита. Светоделитель выступил в роли светофора, регулировавшего движение на своеобразном перекрестке, по которому двигались массы бозонов. Исходя из определения волновой функции микрочастицы, получилось определить форму остальных микрочастиц по конфигурации вспышек, исходящих от них. Вспышки напомнили Мальтийский крест, символ рыцарского ордена XI века.

Будущее теории фотонов

Главной задачей исследований современные ученые считают практическое применение фотонной теории в создании новых компьютерных систем. На основе частиц света скорость обмена информацией могла бы увеличиться во много раз.

Сейчас сигналы передаются при помощи электрических импульсов, а если они будут передаваться со скоростью света вместе с фотонами, то качество связи возрастет. Передачу можно сравнить с перемещением поездов по тоннелям: электрический поезд медленный, а фотонный супербыстрый. Неслучайно уже развивается новое научное направление под названием «фотоника», теория активно развивается в мире.