Fotonet var den første, kjente «kvantepartikkel» som har både bølge- og partikkelegenskaper. Derfor ble det snart stilt spørsmål om vanlige partikler også ville ha bølgeegenskaper. Det førte i1924 atLouis de Broglie foreslo at også elektronet kunne beskrives som enmateriebølge. Kort tid deretter fantErwin Schrödinger den riktigebølgeligningen som gjelder for alle partikler. En fullstendig kvantemekanisk beskrivelse av fotonet ble gitt avPaul Dirac i1927. Dette arbeidet markerte begynnelsen på modernekvantefeltteori som beskriver alleelementærpartikler.
Navnet foton kommer fragreskphos for «lys». Det er den amerikanske kjemikerenGilbert N. Lewis som vanligvis blir gitt æren for å ha foreslått dette i 1926. Men på 2010-tallet ble det påvist at navnet var allerede lansert av andre flere år tidligere.[1]
Etter at den tyske fysiker Max Planck hadde forklart egenskapene til sort stråling i 1900 ved å innføre sittvirkningskvantumh , gikk Albert Einstein i gang med å studere denne strålingen nærmere, basert på sin forståelse avtermodynamikk ogstatistisk mekanikk. Han fant da ut at energien tilelektromagnetisk stråling som tidligere var beskrevet som kontinuerligebølger, også kunne beskrives som om den var fordelt på diskretekvant med energi. Har strålingen frekvensen eller bølgelengden, vil et sliktlyskvant ha energien
På dette viset gikk Einstein lengre i sine antagelser enn Planck opprinnelig hadde gjort ved utledning av sinstrålingslov. Der hadde han antatt at det var kun de materielle oscillatorene i veggene som omsluttet strålingen, som var kvantiserte. Selve strålingen skulle betraktes som kontinuerlige bølger. Dette klassiske bildet ville Einstein forkaste. Med denne nye forståelsen kunne han i 1905 forklare denfotoelektriske effekten. For dette arbeidet ble Einstein i1921 tildeltnobelprisen i fysikk.
Lyskvantet til Einstein var i begynnelsen ikke noen partikkel i vanlig forstand. Fortsatte studier avvarmestråling og betydningen avPlancks strålingslov overbeviste Einstein om at et lyskvant med frekvens også måtte tilskrives en impuls
hvor erlyshastigheten, erbølgelengden til strålingen, er energien til lyskvanten, og erplancks konstanten. Impulsen er en vektorp som er rettet langs retningen som den tilsvarende bølgen beveger seg langs.
Dette resultatet kom han frem til ved å tenke seg utsendelse av et lyskvant fra en enkel partikkel. Selv om lyskvantet har energienE = hν, kunne den i prinsippet bli sent jevnt ut i alle retninger. Men for at strålingen skulle forbli itermisk likevekt med partiklene, viste han at det var nødvendig at energien var konsentrert i en bestemt, men vilkårlig retning. Partikkelen som sender ut lyskvantet, får da enrekyl som betyr at lyskvantet har akkurat denne impulsenp = h/λ .
Energi og impuls for en partikkel med massem, er alltid forbundet ved den generelle formelen
fra denspesielle relativitetsteorien. For fotonet erE = pc som derfor betyr atfotonet har null masse. Ved bruk av kvantemekanikk kunnePaul Dirac i 1927 gi en konsistent beskrivelse av alle egenskaper ved fotonet og dets vekselvirkning med materie.[2] Dette var første formulering av hva som i dag kalleskvanteelektrodynamikk. Det ble nå klart at fotonet ga opphav tilelektriske ogmagnetiske krefter mellom materiepartikler medelektrisk ladning. At massen var nøyaktig lik null, medførte at disse kreftene fikk lang rekkevidde. Dette kommer til uttrykk bl.a. iCoulombs lov som beskriver hvordan kraften avtar mellom to ladninger.
Et venstrevridd (L) eller høyrevridd (R) foton kan illustreres med en liten kule som roterer om sin egen bevegelsesretning.
En lysbølge kan væreplanpolarisert på to måter. Det består i at det elektriske feltet i bølgen peker i en av to ortogonale retninger som begge står vinkelrett på bølgens forplantningsretning. Når bølgen er sirkulært polarisert, roterer den elektriske vektoren med eller mot viserne på en klokke med urskiven vinkelrett på denne retningen. I den kvantemekaniske beskrivelsen tilsvarer dette at fotonet som bølgen beskriver, er en partikkel medspinnS = 1. Men siden fotonet har null masse og derfor ikke noe hvilesystem, må spinn-vektorenS kun peke enten langs impulsenp eller i motsatt retning. I det første tilfellet sier man at fotonet erhøyrevridd, i det andre tilfellet er detvenstrevridd.
Fra arbeidet til Dirac ble det også klart at fotonet er etboson som oppfyllerBose-Einstein-statistikk. Mange fotoner med samme frekvens vil da kvantemekanisk foretrekke å opptre i samme tilstand. Dette utnyttes i enlaser som produsererkoherent lys.
I sitt store verkOpticks argumenterteIsaac Newton for at lys måtte bestå av små partikler eller «korpuskler». Denne teorien ble etter hvert erstattet med teorier basert påbølger i eneter som til slutt fikk sin endelige utforming iMaxwellselektromagnetiske teori. Etter etableringen avkvantemekanikken ble det klart at partikler kan tilordnesbølgeegenskaper og noen fenomen som den fotoelektriske effekten viser at lys består av fotoner.
Denne innsikten har i nyere tid ledetRichard Feynman til å beskrive lys fundamentalt som bestående av fotoner. Et argument er å betrakte lys som sendes mot en flate som består av veldig småfotoceller. Når lysintensiteten blir tilstrekkelig lav, vil disse tennes én og én og ikke flere samtidig. Det viser at energien i strålingen befinner seg i små, lokaliserte pakker. Hvert slikt masseløst foton er en partikkel bortsett fra at den beveger seg ifølge kvantemekanikkens lover istedenfor etterNewtons lover. En slik beskrivelse kan likevel forklare de klassiske bølgefenomenene sominterferens ogdiffraksjon.[3]
Når man går nærmere inn ielektromagnetisk teori for å forstå hvorfor massen til fotonet ernøyaktig lik null, finner man ut at det skyldes at teorien er invariant undergaugetransformasjoner. Teorien er derfor engaugeteori. Mer kompliserte versjoner av slike teorier beskriver andregaugebosoner som gir opphav til krefter mellom partiklene i atomkjernen.
Densterke kjernekraften som holderprotonene ognøytronene på plass iatomkjernen, formidles av et gaugeboson som kalles forgluon. Det har også spinnS = 1 og er masseløst som fotonet. Men i motsetning til fotonet, har gluonet en slags ladning. Dette er ingen elektrisk ladning, men en blanding av de tre fargene tilkvarkene. For gluonet kan denne blandingen opptre i åtte forskjellige valører. Siden gluonene har slike fargeladninger, virker det krefter mellom dem som formidles ved utveksling av andre gluoner. På 1970-tallet lykkes det å finne en meget elegant, men matematisk komplisert gaugeteori for disse partiklene. Det er en utvidelse avkvanteelektrodynamikk (QED) som gjelder for fotoner og elektroner, tilkvantekromodynamikk (QCD) som beskriver hvordan kvarker og gluoner vekselvirker.
