Fotonu kao elementarnoj čestici je svojstvenvalno-čestični dualizam, tj. on istovremeno poseduje svojstvaelementarne čestice italasa. Niz autora ubraja foton ukvazičestice zbog mase mirovanja jednakoj nuli.[2] Foton nema masu mirovanja, slično kvazičesticama, ali ipak ne traži sredinu za svoje prostiranje, slično elementarnim česticama, u koje većina autora ubraja foton.Fotoni se obično obeležavaju slovom, zbog čega ih često nazivajugama-kvantima (fotoni visokihenergija). Sa tačke gledištastandardnog modela foton jebozon.Virtuelni fotoni[3] su prenosiocielektromagnetne interakcije koji na taj način obezbeđuju mogućnost uzajamnog delovanja između dva naelektrisanja.[4]
Foton je prvobitno od straneAlberta Ajnštajna nazvan „svetlosnim kvantom“.[5] Naziv foton, na osnovugrčke rečiφῶς (phōs) je uveden1926. godine na inicijativu hemičaraGilberta Luisa, koji je objavio teoriju[6]u kojoj je fotone predstavio kao nešto što se ne može ni stvoriti ni uništiti. Luisova teorija nije bila dokazana i bila je u protivurečnosti sa eksperimentalnim podacima, dok je taj naziv za kvante elektromagnetnog zračenja postao uobičajan među fizičarima.
Postojali su pokušaji da se objasni kvantna priroda svetlosti poluklasičnim modelima, u kojima je svetlost i dalje opisivanaMaksvelovim jednačinama, bez uzimanja u obzir kvantovanja, a predmetima koji emituju i apsorbuju svetlost pripisana su kvantna svojstva. Bez obzira što su poluklasični modeli uticali na razvojkvantne mehanike (što dokazuje to da neka njihova tvrđenja i posledice istih i dalje mogu naći u savremenoj kvantnoj teoriji[10]), eksperimenti su potvrdili teoriju Ajnštajna o kvantnoj prirodi svetlosti (pogledatifotoefekat).
Valna teorija Maksvela ipak nije mogla da objasni sva svojstva svetlosti. Prema toj teoriji, energija svetlosnog talasa zavisi samo od njegovogintenziteta, ne i odfrekvencije. U stvari rezultati nekih eksperimenata su govorili obrnuto: energija predata atomima od strane svetlosti zavisi samo od frekvencije svetlosti, ne i od njenog intenziteta. Na primerneke hemijske reakcije mogu se odvijati samo u prisutstvu svetlosti čija frekvencija iznad neke granice, dok zračenje čija je frekvencija ispod te vrednosti ne može izazvati začetak reakcije, bez obzira na intenzitet. Analogno, elektroni mogu biti emitovani sa površine metalne ploče samo kada se ona obasja svetlošću čija je frekvencija veća od određene vrednosti koja se nazivacrvena granica fotoefekta, a energija tih elektrona zavisi samo od frekvencije svetlosti, ne i od intenziteta.[19][20]
Istraživanja svojstava zračenjaapsolutno crnog tela, koja su vršena tokom skoro četrdeset godina (1860—1900),[21]završena su formulisanjem hipotezeMaksa Planka[22][23]o tome da energija bilo kog sistema pri emisiji ili apsorpciji elektromagnetnog zračenja frekvencije može biti promenjena samo za veličinu koja odgovara energiji kvanta, gde je —Plankova konstanta.[24]Albert Ajnštajn je pokazao da takva predstava o kvantovanju energije treba da bude prihvaćena, kako bi se objasnila toplotna ravnoteža između supstance i elektromagnetnog zračenja.[5][8] Po istom osnovu je teorijski objašnjenfotoefekat, opisan u radu iz 1905. godine za koji je Ajnštajn kasnije dobioNobelovu nagradu za fiziku.[25]
Mnogi fizičari su prvobitno pretpostavljali da je kvantovanje energije rezultat nekog svojstva materije koja emituje i apsorbuje elektromagnetne valove. Ajnštajn je1905. godine pretpostavio da kvantovanje energije predstavlja svojstvo samog elektromagnetnog zračenja.[5]Priznajući tačnost Maksvelove teorije, Ajnštajn je primetio da mnoge nesuglasice sa eksperimentalnim rezultatima mogu biti objašnjene ako je energija svetlosnog vala lokalizovana ukvantima, koji se kreću nezavisno jedni od drugih, iako se val neprekidno prostire.[5]U godinama između1909.[8] i1916,[26]Ajnštajn je pokazao, polazeći od tačnosti zakona zračenjacrnog tela, da kvant energije takođe mora posedovati impuls[27]. Impuls fotona je otkrio eksperimentalno[28]Artur Kompton, za šta je dobio Nobelovu nagradu za fiziku1927. godine. Ipak, pitanje usaglašavanja talasne teorije Maksvela sa eksperimentalnim činjenicama je ostalo otvoreno.[29]Niz autora je utvrdio da se emisija i apsorpcija elektromagnetnih talasa dešavaju u porcijama, kvantima, dok je proces njihovog prostiranja neprekidan. Kvantni karakter pojava kao što su zračenje i apsorpcija dokazuje da je nemoguće da mikrosistem poseduje proizvoljnu količinu energije. Čestične predstave su dobro usaglašene sa eksperimentalno posmatranim zakonitostima zračenja i apsorpcije elektromagnetnih talasa, uključujući toplotno zračenje i fotoefekat. Ipak, po mišljenju predstavnika onih koji su zastupali taj pravac, eksperimentalni podaci su išli u prilog tome da kvantna svojstva elektromagnetnog talasa ne bivaju ispoljena pri prostiranju, rasejanju i difrakciji, ukoliko pritom ne dolazi do gubitka energije. U procesima prostiranja elektromagnetni val nije lokalizovan u određenoj tački prostora, ponaša se kao celina i opisuje Maksvelovim jednačinama.[30]Rešenje je pronađeno u okvirukvantne elektrodinamike.
Do1923. godine većina fizičara je odbijala da prihvati ideju da elektromagnetno zračenje poseduje kvantna svojstva. Umesto toga su bili skloni objašnjavanju ponašanja fotona kvantovanjem materije, kao na primer uBorovom modelu atomavodonika. Mada su svi ovi poluklasični modeli bili samo približno tačni i važili samo za proste sisteme, doveli su do stvaranjakvantne mehanike.
Predviđanja koja je Ajnštajn napravio1905. godine su proverena eksperimentalno na nekoliko nezavisnih načina prve dve decenije 20. veka[31].Ipak, doKomptonovog eksperimenta[28]ideja kvantne prirode elektromagnetnog zračenja nije bila priznata među svim fizičarima, što je bilo povezano sa uspesima talasne teorije svetlostiMaksvela. Neki fizičari su smatrali da kvantovanje energije u procesima emisije i apsorpcije svetlosti posledica nekih svojstava supstance koja tu svetlost zrači ili apsorbuje.Nils Bor,Arnold Zomerfeld i drugi su razrađivali modele atoma sa energetskim nivoima koji su objašnjavali spektar zračenja i apsorpcije kod atoma i bili u saglasnosti sa eksperimentalno utvrđenimspektrom vodonika[32](ipak, ovi modeli nisu omogućavali dobijanje adekvatnog spektra drugih atoma). Samo rasejanje fotona slobodnim elektronima, koji po tadašnjem shvatanju nisu posedovali unutrašnju strukturu, nateralo je mnoge fizičare da priznaju kvantnu prirodu svetlosti.
Čak i posle Komptonovih eksperimenata, Nils Bor,Hendrik Kramers iDžon Slejter preduzeli su poslednji pokušaj spašavanja klasičnog modela talasne prirode svetlosti, bez uračunavanja kvantovanja, objavivšiBKS teoriju.[33]Za objašnjavanje eksperimenata predložili su dve hipoteze[34]:
1.Energija i impuls se održavaju samostatistički (po srednjoj vrednosti) pri uzajmnom delovanju materije i zračenja. U određenim eksperimentalnim procesima kao što su to emisija i apsorpcija, zakoniodržanja energije iimpulsa nisu ispunjeni. Ta pretpostavka je objašnjavala stepeničastu promenu energije atoma (prelazi na energetskim nivoima) sa neprekidnošću promene energije samog zračenja.
2.Mehanizam zračenja poseduje specifičan karakter.Spontano zračenje posmatrano je kao zračenje stimulisano „virtuelnim“ elektromagnetnim poljem.
Ipak eksperimenti Komptona su pokazali da se energija i impuls potpuno održavaju u elementarnim procesima, a takođe da se njegov račun promene učestalosti padajućeg fotona ukomptonovskom rasejanju ispunjava sa tačnošću do 11 znakova. Ipak krah BKS modela inspirisao jeVernera Hajzenberga na stvaranjematrične mehanike.[35]
Jedan od eksperimenata koji su potvrdili kvantnu apsorpciju svetlosti bio je ogledValtera Bote, sproveden1925. godine. U tom ogledu tanki metalni sloj je izloženrentgenskom zračenju malog intenziteta. Pritom je on sam postao izvor slabog zračenja. Polazeći od klasičnih valnih predstava to zračenje se u prostoru mora raspoređivati ravnomerno u svim pravcima. U tom slučaju dva instrumenta, postavljena levo i desno od metalnog sloja, trebalo je da ga zabeleže istovremeno. Ipak, rezultat ogleda je pokazivao suprotno: zračenje su beležili čas levi, čas desni instrument i nikad oba istovremeno. To je značilo da se apsorpcija odvija porcijama, tj. kvantima. Ogled je na taj način potvrdio fotonsku teoriju zračenja[36].
Neki fizičari[37] su nastavili da razrađuju poluklasične modele, u kojimelektromagnetno zračenje nije smatrano kvantnim, ali pitanje je dobilo svoje rešenje samo u okviru kvantne mehanike. Ideja korišćenja fotona pri objašnjavanju fizičkih i hemijskih eksperimenata postala je opštepriznata 1970-ih godina. Sve poluklasične teorije većina fizičara je smatrala osporenim u 70-im i 80-im godinama u eksperimentima[38].Na taj način, ideja Planka o kvantnim svojstvima elektromagnetnog zračenja i na osnovu nje razvijena Ajnštajnova hipoteza smatrane su dokazanim.
Masa mirovanja fotona smatra se jednakom nuli, što se zasniva na eksperimentu i teorijskim principima. Zbog toga je brzina fotona jednakabrzini svetlosti. Ako fotonu pripišemorelativističku masu (termin polako izlazi iz upotrebe) polazeći od jednakosti vidimo da ona iznosi. Foton je sam svojaantičestica).[39]
Spin fotona jednak je 1 (čestica jebozon), ali zbog mase mirovanja jednakoj nuli značajnijom karakteristikom se javlja projekcija spina čestice na pravac kretanja. Foton može biti samo u dva spinska stanja. Tom svojstvu uklasičnoj elektrodinamici odgovaraelektromagnetni val.[40]
Foton se ubraja ubozone. Učestvuje uelektromagnetnoj igravitacionoj interakciji.[40] Foton ne posedujenaelektrisanje i ne raspada se spontano uvakuumu, stabilan je. Foton može imati jedno od dva stanjapolarizacije i opisuje se sa tri prostorna parametra koji sastavljajuvalni vektor koji određuje njegovu talasnu dužinu i smer prostiranja.
Fotoni nastaju u mnogim prirodnim procesima, na primer, pri ubrzanom kretanju naelektrisanja, pri prelazu atoma ili jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje manje energije, ili prianihilaciji para elektron-pozitron. Treba primetiti da pri anihilaciji nastaju dva fotona, a ne jedan, pošto u sistemucentra mase čestica koje se sudaraju njihov rezultujući impuls jednak nuli, a jedan dobijeni foton uvek ima impuls različit od nule.Zakon održanja impulsa stoga traži nastanak bar dva fotona sa ukupnim impulsom jednakom nuli.Energija fotona, a, samim tim i njihovafrekvencija, određena jezakonom održanja energije. Pri obrnutim procesima - pobuđivanju atoma i stvaranju elektron-pozitron para dolazi do apsorpcije fotona. Ovaj proces je dominantan pri prostiranjugama-zraka visokih energija kroz supstancu.
Ako je energija fotona jednaka, onda jeimpuls povezan sa energijom jednakošću, gde je —brzina svetlosti (brzina kojom se foton uvek kreće kao čestica bez mase). Radi upoređivanja za čestice koje poseduju masu mirovanja, veza mase i impulsa sa energijom određena je formulom, što pokazujespecijalna teorija relativnosti.[41]
U vakuumu, energija i impuls fotona zavise samo od njegovefrekvencije (ili, što je ekvivalentno prethodnom, od njegovetalasne dužine):
Talasni vektor određuje smer kretanja fotona. Spin fotona ne zavisi od njegove frekvencije.
Klasične formule za energiju i impulselektromagnetnog zračenja mogu biti dobijene polaženjem od predstava o fotonu. Na primerpritisak zračenja postoji usled impulsa koji fotoni predaju telu pri njihovoj apsorpciji. Zaista, pritisak je sila koja deluje na jediničnu površinu, a sila je jednaka promeni impulsa u vremenu[42], pa se otuda javlja taj pritisak.
Svojstvo fotona ječestično-valni dualizam. Sa jedne strane foton pokazuje svojstvavala u pojavamadifrakcije iinterferencije, u slučaju da su karakteristične veličine barijere uporedive sa valnom dužinom fotona. Na primer, pojedini fotoni prolazeći kroz dvostruki otvor stvaraju na pozadini interferencionu sliku koja se može opisati Maksvelovim jednačinama[43].Ipak eksperimenti pokazuju da se fotoni emituju i apsorbuju u celini predmetima koji imaju dimenzije mnogo manje od valne dužine fotona, (na primeratomima) ili se uopšte mogu smatrati tačkastim (na primerelektronima). Tako fotoni se u procesu emitovanja i apsorpcije zračenja ponašaju kao čestice. Ali oni nisu samo čestice; predstava o fotonu kao tačkastoj čestici čija je putanja određena elektromagnetnim poljem je opovrgnuta korelacionim eksperimentima sa pomešanim stanjima fotona (pogledatiParadoks Ajnštajn-Podolskog-Rozena).
Misaoni eksperimentHajzenberga o određivanju mesta na kojem se nalazi elektron (obojen plavo) pomoćugama-zračnog mikroskopa visokog uvećanja. Padajući gama-zraci (prikazani zelenom bojom) rasejavaju se na elektronu i ulaze v aperturni ugao mikroskopa θ. Rasejani gama-zraci prikazani su na slici crvenom bojom.Klasična optika pokazuje da položaj elektrona može biti određen samo sa ograničenom tačnošću vrednosti Δx, koja zavisi od ugla θ i odtalasne dužine λ upadnih zraka.
Ključni elementkvantne mehanike jeHajzenbergov princip neodređenosti, koji ne dozvoljava da se istovremeno tačno odrede prostorne koordinate čestice i njenimpuls.[44] Važno je primetiti, kvantovanje svetlosti i zavisnost energije i impulsa od frekvencije neophodno je za ispunjavanje principa neodređenosti, primenjenog na naelektrisanu masivnu česticu. Za ilustraciju toga može poslužiti poznatmisaoni eksperiment sa idealnim mikroskopom koji određuje prostorne koordinate elektrona obasjavanjem istog svetlošću i registrovanjem rasejane svetlosti (gama-mikroskop Hajzenberga). Položaj elektrona može biti određen sa tačnošću, zavisnom od samog mikroskopa. Polaženjem od predstavaklasične optike:
gde je —aperturni ugao mikroskopa. Na taj način se neodređenost koordinate može učiniti jako malom smanjenjem talasne dužine upadnih zraka. Ipak posle rasejanja elektron dobija neki dodatni impuls, pri čemu je njegova neodređenost jednaka. Ako upadno zračenje ne bi bilo kvantno, ta neodređenost bi mogla postati jako mala smanjenjemintenziteta zračenja. Valna dužina i intenzitet upadne svetlosti mogu se menjati zavisno jedan od drugoga. Kao rezultat u odsutstvu kvantovanja svetlosti postalo bi moguće istovremeno sa velikom tačnošću odrediti položaj elektrona u prostoru i njegov impuls, što se protivi principu neodređenosti.
Nasuprot tome, Ajnštajnova formula za impuls fotona u potpunosti zadovoljava princip neodređenosti. S obzirom da se foton može rasejati u bilo kom pravcu u granicama ugla, neodređenost peredatog elektronu impulsa jednaka je:
Posle množenja prvog izraza drugim dobija se:
.
Na taj način ceo svet je kvantovan: ako supstanca podleže zakonima kvantne mehanike onda to mora biti slučaj i sa fizičkim poljem, i obrnuto[45].
Analogno, princip neodređenosti fotonima zabranjuje tačno mernje broja fotona u elektromagnetnom talasu ifazu tog talasa:
I fotoni ičestice (elektroni,nukleoni, atomska jezgra, atomi itd.) koje poseduju masu mirovanja, pri prolasku kroz dva blisko postavljena uska otvora daju sličneinterferencione slike. Za fotone se ta pojava može opisatiMaksvelovim jednačinama, dok se za masivne čestice koristiŠredingerova jednačina. Moglo bi se pretpostaviti da suMaksvelove jednačine samo uprošćen oblikŠredingerove jednačine za fotone. Ipak sa tim se ne slaže većina fizičara[46][47].S jedne strane te jednačine se razlikuju u matematičkom smislu: za razliku od Maksvelovih jednačina (koje opisuju polje tj. stvarne funkcije koordinata i vremena), Šredingerova jednačina je kompleksna (njeno rešenje je polje koje predstavlja kompleksnu funkciju). S druge stane pojam verovatnoćetalasne funkcije koji ulazi u Šredingerovu jednačinu ne može biti primenjen na foton.[48]Foton je čestica bez mase mirovanja, zato on ne može biti lokalizovan u prostoru bez uništenja. Formalno govoreći, foton ne možet imati koordinatnosopstveno stanje i na taj način običan Hajzenbergov princip neodređenosti se na njega ne može primenti. Bili su predloženi izmenjeni oblici talasne funkcije za fotone,[49][50][51][52]ali oni nisu postali opštepriznati. Umesto toga rešenje se traži ukvantnoj elektrodinamici.
Kvantna statistika primenjena na čestice sa celobrojnimspinom je predložena1924. godine od strane indijskog fizičaraBozea za svetlosne kvante i proširena zahvaljujućiAjnštajnu na sve bozone. Elektromagnetno zračenje unutar neke zapremine može se posmatrati kaoidealni gas koji se sastoji iz mnoštva fotona između kojih praktično ne postoji interakcija.Termodinamička ravnoteža tog fotonskog gasa dostiže se putem interakcije sa zidovima. Ona nastaje kada zidovi emituju onoliko fotona u jedinici vremena koliko i apsorbuju.[53]Pritom se unutar zapremine postoji određenaraspodela čestica po energijama.Boze je dobioPlankov zakon zračenja apsolutno crnog tela, uopšte ne koristećielektrodinamiku, samo modifikujući računkvantnih stanja sistema fotona u datojfazi.[54] Tako je bilo ustanovljeno da broj fotona u apsolutno crnoj oblasti, energija kojih se proteže na intervalu od do jednak:[53]
gde je — njena zapremina, —Dirakova konstanta, —temperatura ravnotežnog fotonskog gasa (ekvivalentna temperaturi zidova).
U ravnotežnom stanju elektromagnetno zračenje apsolutno crnog tela se opisuje istim termodinamičkim parametrima kao i običan gas:zapreminom, temperaturom, energijom,entropijom i dr. Zračenje vršipritisak na zidove pošto fotoni poseduju impuls.[53] Veza tog pritiska i temperature izražena je jednačinom stanja fotonskog gasa:
Ajnštajn je pokazao da je ta modifikacija ekvivalentna priznavanju toga da se dva fotona principijelno ne mogu razlikovati, a među njima postoji „tajanstvena nelokalizovana interakcija“,[55][56]sada shvaćena kao potreba simetričnosti kvantnomehaničkih stanja u odnosu na preraspodelu čestica. Taj rad doveo je do stvaranja koncepcijekoherentnih stanja i pogodovao stvaranjulasera. U istim člancima Ajnštajn je proširio predstave Bozea naelementarne čestice sa celobrojnim spinom (bozone) i predvideo pojavu masovnog prelaza česticabozonskog gasa u stanje sa minimalnom energijom pri smanjenju temperature do nekog kritičnog nivoa (pogledatiBoze-Ajnštajnova kondenzacija). Ovaj efekat je1995. godine posmatran eksperimentalno, a2001. autorima eksperimenta je uručenaNobelova nagrada.[57]Po savremenom shvatanju bozoni, u koje se ubraja i foton, podležuBoze-Ajnštajnovoj statistici, afermioni, na primerelektroni,Fermi-Dirakovoj statistici.[58]
Pri prelazu elektrona među tim nivoima atom emituje ili apsorbuje foton.
Osim toga smatralo se da emitovanje i apsorpcija svetlosti atomima dešava nezavisno jedno od drugoga i datoplotna ravnoteža u sistemu biva održana usled interakcije sa atomima. Posmatrajmo zapreminu koja se nalazi u toplotnoj ravnoteži i koja je ispunjena elektromagnetnim zračenjem koje može biti emitovano i apsorbovana zidivima koji je ograničavaju. U stanju toplotne ravnotežespektralna gustina zračenja je i zavisi od frekvencije fotona dok po srednjoj vrednosti ne zavisi od vremena. To znači da verovatnoća emitovanja fotona proizvoljnog fotona mora biti jednaka verovatnoći njegove apsorpcije.[9]
Ajnštajn je počeo da traži proste uzajamne veze među brzinom apsorpcije i emitovanja. U njegovom modelu brzina apsorpcije fotona frekvencije i prelaza atoma sa energetskog nivoa na nivo više energije je proporcionalna broju atoma sa energijom ispektralne gustine zračenja za okolne fotone iste frekvencije:
.
Ovde je konstanta brzine apsorpcije. Za ostvarenje suprotnog procesa postoji dve mogućnosti:spontano zračenje fotona i vraćanje elektrona na niži energetski nivo usled interakcije sa slučajnim fotonom. U saglasnosti sa gore opisanim prilazom odgovarajuća brzina, koja karakteriše zračenje sistema fotona frekvencije i prelaz atoma sa višeg energetskog nivoa na nivo manje energije, jednaka je:
.
Ovde je — koeficijent spontanog zračenja, — koeficijent odgovoran zaprinudno zračenje pod dejstvom slučajnih fotona. Pritermodinamičkoj ravnoteži broj atoma u energetskom stanju i po srednjoj vrednosti mora biti konstantan u vremenu, odakle sledi da veličine i moraju biti jednake. Osim toga, po analogiji saBolcmanovom statistikom:
,
gde je — broj linearno nezavisnih rešenja koje odgovaraju datom kvantnom stanju i energiji energetskog nivoa i, — energija tih nivoa, —Bolcmanova konstanta, — temperatura sistema. Iz rečenog sledi zaključak da i:
Ajnštajn nije uspeo gustinom da objasni sve ove jednačine ali je smatrao da će ubuduće biti moguće da se pronađu koeficijenti, i, kada „mehanika i elektrodinamika budu izmenjene tako da će odgovarati kvantnoj hipotezi“.[60]I to se stvarno dogodilo.Pol Dirak je1926. godine dobio konstantu, koristeći poluklasični metod,[61]a1927. godine uspešno je našao sve te konstante polazeći od osnovnih principakvantne teorije.[62][63]Taj rad je postao osnovomkvantne elektrodinamike, tj. teorije kvantovanjaelektromagnetnog polja. Dirakov pristup, nazvan metodomsekundarnog kvantovanja, postao je jednim od osnovnih metodakvantne teorije polja.[64][65][66] Treba primetiti da su u ranoj kvantnoj mehanici samo čestice supstance, a ne i elektromagno polje, smatrane kvantnomehaničkim.
Ajnštajn je bio uznemiren time da mu se teorija činila nepotpunom, još više pošto nije mogla da opiše smer spontanog zračenja fotona. Prirodu kretanja svetlosnih čestica sa aspekta verovatnoće najpre je razmotrioIsak Njutn u svom objašnjenju pojavedvostrukog prelamanja zraka (efekat razlaganja svetlosnog zraka na dve komponente uanizotropnim sredinama) i uopšteno govoreći pojave razlaganja svetlosnog zraka na granici dve sredine na odbijeni i prelomljeni zrak. Njutn je pretpostavio da „skrivene promenljive“, koje karakterišu svetlosne čestice određuju u koju od graničnih sredina će otići data čestica.[15] Analogno se i Ajnštajn, počevši sa distanciranjem od kvantne mehanike, nadao nastanku opštije teorije mikrosveta u kojoj nema mesta slučajnosti.[29] Treba primetiti da jeBornova interpretacijatalasnih funkcija preko verovatnoće[67][68]bila stimulisana poznim radom Ajnštajna koji je tražio opštu teoriju.[69]
Različiti elektromagnetni moduli (na primer označeni na slici) mogu biti posmatrani kao nezavisnikvantni harmonijski oscilatori. Svaki foton odgovara jediničnoj energiji E=hν.
Piter Debaj dobio je1910. godinePlankov zakon zračenja zaapsolutno crno telo polazeći od relativno jednostavne pretpostavke.[70]On je razložio elektromagnetno polje naFurijeov red i pretpostavio da energija svakogmodula celobrojni delilac veličine gde je odgovarajuća frekvencija. Geometrijska suma dobijenih modula predstavlja Plankov zakon zračenja. Ipak pokazalo se da je nemoguće korišćenjem datog prilaza dobiti tačan oblik formule zafluktacije energijetoplotnog zračenja. Rešenje ovog problema pronašao je Ajnštajn1909. godine.[8]
Maks Born,Verner Hajzenberg iPaskval Jordan su1925. godine dali nešto drugačiju interpretaciju Debajeve metode.[71]Koristeći klasične može se pokazati da je Furijeov red elektromagnetnog polja sastoji iz mnoštva ravnih talasa pri čemu svaki od njih odgovara svomtalasnom vektoru i svojem stanjupolarizacije što je ekvivalentno mnoštvuharmonijskih oscilatora. Sa aspekta kvantne mehanike energetski nivoi tih oscilatora bivaju određeni odnosom gde je frekvencija oscilatora. Principijelno novim korakom postalo je to da je modul sa energijom posmatran ovde kao stanje od fotona. Takav metod omogućio je dobijanje ispravnog oblika formule za fluktacije energije zračenja apsolutno crnog tela.
Pol Dirak je otišao još dalje.[62][63] On je posmatrao interakciju između naelektrisanja i elektromagnetnog polja kao mali poremećaj koji izaziva prelaze u fotonskim stanjima menjajući broj fotona u modulima pri održanju celookupne energje i impulsa sistema. Dirak je pošavši od toga uspeo da dobije Ajnštajnoove koeficijente i iz prvih principa i pokazao da je Boze-Ajnštajnova statistika za fotone prirodna posledica korektnog kvantovanja elektromagnetnog polja (sam Boze se kretao u suprotnom smeru — on je dobio Plankov zakon zračenja za apsolutno crno telo postuliranjem statističke raspodele Boze — Ajnštajna). U to doba još nije bilo poznato da svi bozoni, uključujući i fotone podležu Boze-Ajnštajnovoj statistici.
Dirakovateorija poremećaja uvodi pojamvirtuelnog fotona, kratkotrajnog prelaznog stanja elektromagnetnog polja.Elektrostatička imagnetna interakcija ostvaruje se putem takvih virtualnih fotona. U takvimkvantnim teorijama polja amplituda verovatnoće posmatranih događaja se računa sumiranjem po svim mogućim prelaznim putevima, uključujući čak nefizičke; pošto virtuelni fotoni ne moraju zadovoljavatidisperzioni odnos, ispunjen za fizičke čestice bez mase, i mogu imati dodatna polarizaciona stanja (kod realnih fotona postoje dva stanja polarizacije dok kod virtualnih — tri ili četiri, u zavisnosti od korišćenekalibracije). Mada virtuelne čestice pa i virtuelni fotoni ne mogu biti posmatrani neposredno,[72]oni unose merljiv udeo u verovatnoću posmatranih kvantnih stanja. Šta više, račun po drugom i višim redovima teorije poremećaja ponekad dovodi dobeskonačno velikih vrednosti za nekefizičke veličine. Druge virtuelne čestice takođe mogu doprineti vrednosti sume. Na primer, dva fotona mogu interagovati posredstvom virtuelnogelektron-pozitron para.[73]Taj mehanizam će biti u osnoviMeđunarodnog linearnog kolajdera.[74]
Matematički metod sekundarnog kvantovanja sastoji se u tome da kvantni sistem sastavljen od velikog broja principijelno ekvivalentnih čestica, opisuje pomoću talasnih funkcija, u kojem ulogu nezavisnih parametara ima broj popunjavanja. Sekundarno kvantovanje ostvaruje se uvođenjemoperatora, koji povećavaju i smanjuju broj čestica u datom stanju (broj popunjavanja) na jedan. Ti operatori se ponekad nazivaju operatorimarađanja iuništenja. Matematička svojstva operatora popunjavanja i uništavanja određena su spinom čestica. Pri takvom opisu valna funkcija sama postaje operator.[75]
U savremenom fizičkom obeležavanju kvantno stanje elektromagnetnog polja se zapisuje kaoFokovsko stanje,tenzorski proizvod stanja svakog elektromagnetnog modula:
gde predstavlja stanje sa celim brojem fotona koji se nalaze u modulu Stvaranje novog fotona (na primer emitovanog v atomskom prelazu) u modolu se zapisuje ovako:
Saglasnokvantnoj hromodinamici, realni foton može interagovati ne samo kao pojedinačna tačkasta čestica, već i kao mnoštvokvarkova igluona, poputhadrona. Strukturu fotona određuju ne skupovi valentnih kvarkova (kao na primer strukturu protona), avirtuelne fluktacije tačkastog fotona u skupupartona.[76] Ta svojstva se projavljuju tek pri dovoljno velikim energijama, počinjući od ~1 gigaelektronvolti.
Kvant takvogkalibričnog polja mora biti nenaelektrisan bozon bez mase, dok se simetrija ne naruši. Zato se foton (koji je u stvari kvant elektromagnetnog polja) u savremnoj fizici posmatra kao čestica bez mase i naelektrisanja sa celobrojnim spinom. Korpuskularni modelelektromagnetne interakcija pripisuje fotonuspin jednak. Sa tačke gledišta klasične fizike spin fotona se može interpretirati kao parametar, odgovoran za polaraizaciono stanje svetlosti[79]). Virtuelni fotoni uvedeni u okviru kvantne elektrodinamike mogu se takođe nalaziti u nefizičkim polarizacionim stanjima.[77]
U Standardnom modelu foton je jedan od četiribozona koji ostvarajuslabu interakciju. Ostala tri (W+, W− i Z0) nazivaju sevektorskim bozonima i odgovorni su samo za slabu intearakciju. Za razliku od fotona kod vektorskih bozona postojiinvarijantna masa, oni moraju imati masu s obzirom da se slaba interakcija jasno projavljuje tek na jako malim rastojanjima, <10−15 sm. Ipak, kvanti kalibričnih polja moraju biti bez mase, jer pojava iste kod njih narušava kalibričnu invarijantnost jednačina kretanja. Ovaj problem je rešioPiter Higs, pošto je teorijski opisao pojavuspontanog narušavanja elektroslabe simetrije. To rešenje je dozvolilo učiniti vektorske bozone masivnim narušavnja simetrije kalibracije u samim jednačinama kretanja.[78] Objedinjenje fotona sa W i Z bozonima u slaboj interakciji ostvarili suŠeldon Li Glešo,Abdus Salam iStiven Vajnberg, za šta su dobiliNobelovu nagradu za fiziku1979. godine.[80][81][82]Važnim problemom kvantne teorije polja javlja se uključivanje u jedinstvenu šemu kalibracije i jake interakcije. Ipak ključne posledice tih teorija, kao što jeraspad protona još uvek nisu otkriveni eksperimentalno.[83]
Energija sistema koji emituje foton se smanjuje za vrednost jednaku energiji tih fotona. Kao rezultatmasa sistema se smanjuje za vrednost. Analogno masa sistema koji apsorbuje foton biva uvećana za istu vrednost.[84]
Ova koncepcija koristi ključne principekvantne elektrodinamike. U toj teoriji masaelektrona (i uopšte svihleptona) se menja sa apsorpcijom virtuelnih fotona. Sličan metod u razumevanju daje objašnjenje tih činjenica kao anomalijadipolnog momenta leptona i supertankih struktura leptonskih dubleta.[85]
Svetlost se u providnoj sredini prostire sa brzinom manjom od (brzina svetlosti uvakuumu). Na primer fotonima koji se mnogo puta sudaraju na putu odSunčevog jezgra koje emituje energiju može biti potrebno oko milion godina za dostizanje površine Sunca.[87]Ipak pri kretanju u otvorenomkosmosu isti fotoni dolaze doZemlje svega za 8,3 minuta. Veličina koja karakteriše smanjenje brzine svetlosti naziva seindeks prelamanja sredine.
Usporavanje se može objasniti na sledeći način. Pod dejstvomelektričnog polja svetlosni valivalentni elektroni atoma sredine počinju da vršeprinudneharmonijske oscilacije. Oscilujući elektroni počinju sa određenim zakašnjenjem da stvaraju sekundarne valove iste frekvencije kao i upadne svetlosti kojiinterferiraju sa prvobitnim talasom usporavajući ga[88]Kod korpuskularnog modela usporavanje može biti umesto toga objašnjeno pomeranjem fotona sa kvantnim poremećajima u supstanci (kvazičesticama, sličnimfononima ieksitonima) sa obrazovanjempolaritona. Takav polariton imaefektivnu masu različitu od nule, zbog čega se ne može kretati brzinom. Efekat interakcije fotona sa drugim kvazičesticama može biti posmatran paralelno saRamanovim efektom irasejanjem Mandeljštama-Briljjuena.[89]
Analogno fotoni mogu da se posmatraju kao čestice koje se uvek kreću sa brzinom svetlosti, čak i kroz supstancijalnu sredinu, ali pritom podležu pomeranju faze zbog interakcije vzaimodeйstviя s atomima koji im menjaju talasnu dužinu i impuls, ali ne i brzinu.[90]Talasni snopovi sostavljeni od tih fotona prostiru se brzinom manjom od. Sa te tačke gledišta fotoni su kao „goli“, zbog čega se rasejavaju na atomima, a njihova faza menja. Tada u prethodno opisanoj predstavi fotoni postaju „odeveni“ putem interakcije sa supstancijalnom sredinom i prostiru bez rasejanja i pomeranja faze, ali sa manjom brzinom.
U zavisnosti ot frekvencije svetlost se prostire kroz supstancijalnu sredinu različitim brzinama. Ta pojava se uoptici nazivadisperzijom. Pri stvaranju određenih uslova može se postići to da brzina svetlosti u nekoj sredini postane izrazito mala. Fotoni takođe mogu biti apsorbovanijezgrom atoma,atomima ilimolekulima, inicirajući tako prelaze na njihovim energetskim nivoima. Ilustrativan je primer vezan za apsorpciju fotona u pigmentu očnih štapićarodopsinu, u čiji sastav ulazi retinal, sličanretinolu (vitamina A), odgovornih zaljudski vid, kao što je utvrđeno1958. godine američkimbiohemičarom i nobelovcemDžordžom Vajldom i njegovim saradnicima.[91] Apsorpcija fotona molekulom rodopsina izaziva reakciju prelaska u izomerni trans-oblik, što dovodi do razlaganja rodopsina. Do pobuđivanja očnog nerva pri fotolitičkom razlaganju rodopsina dolazi na račun promene jonskog transporta u fotoreceptoru. Na taj način u saglasnosti sa drugimfiziološkim procesima, energija fotona prelazi unervni impuls.[92]Apsorpcija fotona može izazvati razaranje hemijskih veza kao prifotolizi. Takvi procesi se proučavaju ufotohemiji.[93][94]
Danas se smatra da su svojstva fotona dobro istražena sa teorijskog aspekta.Standardni model razmatra fotone kao bozone sa spinom jednakim 1, sa masom mirovanja[95] i naelektrisanjem jednakom nuli (poslednje sledi između ostalog iz lokalne simmetrije i ogleda iz oblasti elektromagnetne interakcije). Ipak fizičari nastavljaju da traže nesuglasice među eksperimentima i Standardnim modelom. Neprestano se povećava preciznost eksperimenata u kojim se određuje masa i naelektrisanje fotona. Pronalazak makar malog odstupanja naneo bi ozbiljan udar Standardnom modelu. Svi eksperimenti učinjeni do sada ipak pokazuju da fotoni nemaju ni naelektrisanje, ni masu mirovanja[96][97][98][99][100][101][102][103][104][105][106][107]Najveća tačnost sa kotjom je izmereno naelektrisanje fotona je5×10−52S (ili3×10−33e); dok je za masu1,1×10−52kg (6×10−17eV/c2 ili1×10−22me).[108]
Važan tehnički uređaj koji koristi fotone jelaser. Njegov rad zasnovan je na pojaviprinudnog zračenja, koje je već opisano. Laseri se primenjuju u mnogim tehnološkim oblastima. Mnogi tehnološki procesi kao što suvarenje,sečenje ilemljenje metala se ostvaruju gasnim laserima velike vrednostisrednje snage. Umetalurgiji oni omogućavaju dobijanje najčistijih metala. Superstabilni laseri predstavaju osnovu optičkih standarda frekvencije laserskihseizmografa,graviometra i drugih preciznih fizičkih instrumenata. Laseri sa promenljivom frekvencijom (na primerlaser na boje) su proizveli revoluciju uspektroskopiji, značajno povećavšiugaonu rezoluciju i osetljivost metode čak do posmatranjaspektra pojedinačnih atoma.[112] Laseri se takođe koriste kao skalperi,[113]pri lečenju očnih i kožnih bolesti.Laserska lokacija pogodovala je povećanju tačnostikosmičke navigacije, rasširila je znanja o atmosferi i strukturi površina planeta, dozvolila merenje brzine rotacijeVenere iMerkura, precizirala karakteristike kretanja Meseca i planete Venere u poređenju sa astronomskim podacima. Korišćenjem lasera pokušava se rešiti problemkontrolisane termonuklearne sinteze.[114] Laseri se široko koriste u svakodnevnom životu (laserski štampač,DVD,laserski pokazivač i dr.).
Emisija i apsorpcija fotona supstancom koristi se uspektralnoj analizi.Atomi svakoghemijskog elementa imaju strogo određenerezonantne frekvencije, što rezultuje time da se baš na tim frekvencijama vrši emisija ili apsorpcija svetlosti. To dovodi do toga da spektar emisije i apsorpcije atoma i od njih sastavljenih molekula bude individualan, sličnootisku prsta kod čoveka.
Apsorbciona koristi spektar apsorpcije, uglavnom molekula, ali može biti primenjena i na atome. Ovde se uzorak u celinom perevodi u gasovito stnje i kroz njega se propušta svetlostkontinualnog spektra. Na fonu kontinualnog spektra se posmatra spektar apsorpcije isparene supstance.
Rentgenska koristi rentgenski spektar atoma, a takođe i difrakcijurentgenskih zraka pri pri njihovom prolasku kroz predmet čija se struktura želi istražiti. Najveća prednost metode je to da rentgenski spektri sadrže manje linija što olakšava proučavanje strukture uzorka. Među nedostacima se ističe viskoka osetljivost i složenost pribora.
U kvalitativnoj spektralnoj analizi određuje se samo sastav uzorka bez ulaženja u kvantitivne odnose među komponentama. Poslednji problem se rešava u kvantitativnoj spektralnoj analizi na osnovu toga da intenzitet linija u spektru zavisi od sadržaja odgovarajuće supstance u posmatranom uzorku.[116] Na taj način se pospektru supstance može odrediti njenhemijski sastav. Spektralna analiza je metoda prilično korišćena uanalitičkoj hemiji,astrofizici, metalurgiji,mašinstvu,geologiji i drugim naučnim disciplinama.
Rad mnogihgeneratora slučajnih brojeva zasnovan je na određivanju položaja pojedinih fotona. Uprošćen princip rada jednog od njih se svodi na sledeće. Da bi se generisao svakibit slučajnim redosledom, foton se usmerava na delilac zraka. Za svaki foton postoji svega dve jednako verovatne mogućnosti: proći kroz delilac zraka ili ne. U zavisnosti od toga svaki sledeći bit dobija vrednost 0 ili 1.[117][118]
↑А. А. Детлаф, Б. М. Яворский (2005). Курс физики. М.: ACADEMA. str. 485-487. ISBN978-5-7695-2312-0.
↑8,08,18,28,3Einstein A. (1909). „Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation)”. Physikalische Zeitschrift10: 817—825.(de). AnEnglish translation is available from Wikisource.
↑9,09,1Einstein A. (1916a). „Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft18: 318-323.(de)
↑Редкин Ю. Н. (2006). Курс общей физики. Киров: ВятГГУ. str. 152.
↑Rashed, R. (2007). „The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham”. Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 17 (1): 7-55 [19]. DOI:10.1017/S0957423907000355. »U njegovoj optici se „najmanje čestice svetlosti“, kako ih je nazivao, karakterišu samo onim svojstvima koja mogu biti geometrijski opisana i eksperimentalno proverena; one imaju nedostatak svih vidljivih osobina, ali poseduju energiju«(en)
↑15,015,1Newton I. (1952) [1730]. Opticks (4th izd.). Dover (NY): Dover Publications. Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. ISBN978-0-486-60205-9.(en)
↑Hertz H. (1888). „Über Strahlen elektrischer Kraft”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin)1888: 1297-1307.(de)
↑А. А. Детлаф, Б. М. Яворский (2005). Курс физики. М.: ACADEMA. str. 720. ISBN5-7695-2312-3.
↑Zavisnost luminscencije od frekvencije, pp. 276f, fotoelektrični эfekat, odeljak 1.4 u knjiziAlonso, M.; Finn, E. J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN978-0-201-00262-1.(en)
↑А. А. Детлаф, Б. М. Яворский (2005). Курс физики. М.: ACADEMA. str. 720. ISBN5-7695-2312-3.
↑„Tekst rečiArreniusa dlя Nobelevskoй premii po fizike 1921 goda”. The Nobel Foundation. Pristupljeno 13. 3. 2009.
↑Einstein A. (1916). „Zur Quantentheorie der Strahlung”. Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Zürich16: 47. TakođePhysikalische Zeitschrift,18, 121—128 (1917).(de)
↑А. А. Детлаф, Б. М. Яворский (2005). Курс физики. М.: ACADEMA. str. 720. ISBN5-7695-2312-3.
↑Редкин Ю. Н. (2006). Курс общей физики. Киров: VяtGGU. str. 152.
↑Bohr N.; Kramers, H. A.; Slater, J. C. (1924). „The Quantum Theory of Radiation”. Philosophical Magazine47: 785-802.(en) TakođeZeitschrift für Physik,24, 69 (1924).
↑Кудрявцев, П. С. (1982). Курс истории физики. М.: Просвещение. str. 448. Arhivirano izoriginala na datum 2008-06-22. Pristupljeno 2015-01-03.
↑Mandel, L. (1976). E. Wolf. ur. „The case for and against semiclassical radiation theory”. Progress in Optics (North-Holland) 13: 27-69.(en)
↑Rezultati tih eksperimenata ne mogu biti objašnjeni klasičnom teorijom svetlosti. Prvi sličan ekspperiment sproveo je1974. godine Klauzer, a njegovi rezultati su pokazali netačnostnejednakosti Koši-Bunavskog. Sličan efekat je demonstrirao Kimbl1977. godine. Taj prilaz je uprostio Torn2004. godine.
↑53,053,153,2А. С. Василевский, В. В. Мултановский (1985). Статистическая физика и термодинамика. М.: Просвещение. str. 256.
↑Bose, S.N. (1924). „Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”. Zeitschrift für Physik26: 178-181. DOI:10.1007/BF01327326.(de)
↑Einstein A. (1924). „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse1924: 261-267.(de)
↑Einstein A. (1925). „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases, Zweite Abhandlung”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse1925: 3-14.(de)
↑P. 322 inEinstein A. (1916a). „Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft18: 318-323.(de):
Die Konstanten and würden sich direkt berechnen lassen, wenn wir im Besitz einer im Sinne der Quantenhypothese modifizierten Elektrodynamik und Mechanik wären."
↑Born M. (1926a). „Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge”. Zeitschrift für Physik37: 863-867. DOI:10.1007/BF01397477.(de)
↑Born M. (1926b). „Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge”. Zeitschrift für Physik38: 803. DOI:10.1007/BF01397184.(de)
↑Pais, A. (1986). Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford University Press. ISBN978-0-19-851997-3.(en) Born je izjavio da je bio inspirisan neobjavljenim pokušajima Ajnštajna da razvije teoriju sa koncepcijom tačkastih fotona koji su se kretali po zakonima verovatnoće i u skladu sa Maksvelovim jednačinama.
↑Smatra se da foton „nema masu“, ali potrebno je shvatiti da to obuhvata samo masu mirovanja. Ona je zaista jednaka nuli, alirelativistička masa kod fotona postoji. Tome između ostalog ide u prilog činjenica da procesu oslobađanjaSunčeve energije u vidu fotona masa zvezde biva umanjena (Касьянов, В. А. (2005). Физика 10 класс. М.: Дрофа. str. 412. ISBN5-7107-9524-0.) Baš zbog nedostatka mase mirovanja kod fotona on je prinuđen da se kreće sa maksimalnom mogućom brzinom −brzinom svetlosti u vakuumu. On može postojati samo u takvom kretanju. Bilo koje njegovo zaustavljanje je ekvivalentno njegovoj apsorpciji.
↑Fischbach, E.; Kloor, H.; Langel, R.A.; Lui, A.T.Y.; Peredo, M. (1994). „New Geomagnetic Limits on the Photon Mass and on Long-Range Forces Coexisting with Electromagnetism”. Physical Review Letters73: 514-517. DOI:10.1103/PhysRevLett.73.514.(en)
↑Luo, J.; Shao, C.G.; Liu, Z.Z.; Hu, Z.K. (1999). „Determination of the limit of photon mass and cosmic magnetic vector with rotating torsion balance”. Physical Review A270: 288-292.(en)
↑Williams, E.R.; Faller, J.E.; Hill, H.A. (1971). „New Experimental Test of Coulomb's Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass”. Physical Review Letters26: 721-724. DOI:10.1103/PhysRevLett.26.721.(en)
↑Fizičeskiй эnciklopedičeskiй slovarь. Gl. red. A. M. Prohorov. Red. kol. D. M. Alekseev, A. M. Bonč-Bruevič, A. S. Borovik-Romanov i dr. M.: Sov. Эnciklopediя, 1984. — 340 s.
↑А. А. Бабушкин, П. А. Бажулин, Ф. А. Королев, Л. В. Левшин, В. К. Прокофьев, А. Р. Стриганов (1962). Методы спектрального анализа. М.: Издательство Московского университета. str. 510.
↑Stefanov, A.; Gisin, N.; Guinnard, O.; Guinnard, L.; Zbiden, H. (2000). „Optical quantum random number generator”. Journal of Modern Optics47: 595-598. DOI:10.1080/095003400147908.(en)
