Ce este un foton?

Un foton este o particulă, o undă și o vibrație a câmpului cuantic. Adică... un „obiect” banal (în sensul de omniprezent) al lumii nostre, despre care știm multe, dar care ne scapă în esența sa.

Câmp cuantic (reprezentare grafică). Vibrația câmpului, când atinge o anume energie, devine ceea ce numim „particulă”

Am scris în urmă cu mai multe luni un articol despre natura paradoxală a luminii. Am vorbit, în esență, despre faptul că lumina este atât de ciudată, încât nici nu putem spune că face parte din acest univers, de vreme ce nu experimentează timpul.

În acest articol atenția este focalizată pe natura fotonului, pe acel „ceva” pe care-l numim, în ultimă instanță, lumină. 

Maxwell a observat că lumina este o undă electromagnetică

Faptul că lumina este undă electromagnetică nu este deloc evident. De ce ar fi lumina același lucru cu razele X sau undele radio? Poate părea clar azi, dar nu a fost așa întotdeauna. James Clerk Maxweel este cel care întâi a prezis existența undelor electromagnetice, apoi, observând similaritatea cu undele de lumină, a tras concluzia că sunt unul și același lucru.

Plank a stabilit că lumina e discretă

Max Plank, luptându-se cu paradoxul radiației corpului negru, în disperare de cauză, a inventat cuanta de lumină, adică o secvență (un pachet) de lumină cu o anumită energie. Calculele l-au dus aici. Această idee îndrăzneață a schimbat fizica. A dus la nașterea mecanicii cuantice. I-a asigurat Premiul Nobel lui Einstein în 1921, care a arătat că bombardând o suprafață cu lumină de anumită frecvență (anumită energie) poți disloca electroni (efectul fotoelectric).

Această cuantă a fost denumită ulterior, în 1926, de chimistul Gilbert Lewis „foton”.

Ce este fotonul? Particulă sau undă?

Lucrurile s-au cam lămurit între timp. Dar nu în sensul în care te-ai aștepta. Adică astăzi fizicienii au trecut peste bătălia de zeci de ani pentru a alege între particulă și undă și au admis că fotonul este și particulă, și undă. Cum vine asta? Da, ai dreptul să ridici din sprâncene :)

Că fotonul se comportă ca o undă a fost demonstrat în cadrul celebrului experiment cu dublă fantă.

O ramură a teoriei cuantice, teoria câmpurilor cuantice, afirmă că nu există, în fapt, particule. Ce numim noi particule sunt doar vibrații ale unui câmp cuantic. Există un câmp cuantic pentru orice tip de particulă din modelul standard al particulelor elementare. Ce sunt aceste câmpuri cuantice? Sunt un fel de substanţe fluide care sunt prezente pretutindeni în univers şi care vibrează în moduri interesante şi foarte stranii. Aceste câmpuri au anumite valori în fiecare punct din spaţiu-timp.

→ Citește: Câmpurile cuantice - cărămizile fundamentale ale universului

Fotonul, purtător al undelor electromagnetice

Fotonul este particula purtătoare a undelor electromagnetice. Undele electromagnetice au o componentă magnetică și una electrică. Vezi aici cum funcționează.

Un foton poate deveni altceva...

Un foton (de mare energie) se poate transforma într-un electron și un electron de antimaterie (pozitron). Cu alte cuvinte, vibrațiile câmpului fotonic sunt transferate în câmpul electronic și sunt iniţiate două seturi de vibrații, una compatibilă cu o vibrație a unui electron, iar cealaltă în concordanță cu vibraţia unui pozitron.

→ Citește: Cum se poate transforma un foton în electron

Cum studiezi un foton? Cum aflăm ce e cu adevărat?

Să studiezi lumina este, în sine, o întreprindere ciudată. Pentru că lumina este unul dintre principalele instrumente de studiu ale materiei. Cum funcționează telescoapele și microscoapele? În esență, prin manipularea undelor electromagnetice, adică a luminii de diverse frecvențe.

Uităm adesea că să „observi” un lucru înseamnă să-l bombardezi cu lumină. Când spunem că „vedem”, spunem că recepționăm lumină de la un obiect aflat mai departe sau mai aproape. Când spunem că „vedem” o stea, în fapt doar recepționăm lumina emisă de ea, posibil, cu milioane de ani în urmă; steaua e posibil să fi explodat sau să fi devenit o gaură negră în timp.

Este doar o iluzie că văzutul este instantaneu. A vedea este a recepționa lumină. Ce obiect a reflectat acea lumină ne dă „prospețimea” informației; dacă obiectul este la mare distanță de noi, ce aflăm despre obiect este întârziat, raportat la distanță.

Dar cum sondezi fotonul? Nu avem cum studia fotonul... Nu avem niciun mod de a-l studia îndeaproape, de a-i observa  adevărata natură. Ați observat în filme ori în realitate acele sisteme de securitate cu laser de lumină roșie. Pare că observăm de la distanță cum se deplasează lumina. Dar, în fapt, recepționăm fotoni care vin de la acel fascicul laser către noi. Nu avem cum observa obiecte dacă nu emit sau reflectă fotoni.

→ Citește: Este imposibil să cunoaștem adevărata realitate a lumii

Iată un exercițiu mental cu privire la studiul fotonului: te apropii cu instrumentul potrivit de obiectul studiului și observi din ce constă. Asta merge la scară mare, dar nu cu un „ceva” care nu are masă, nu se oprește niciodată (are o viteză enormă, constantă, față de orice lucru) și nu experimentează timpul, ca fotonul.

Fotonul nu poate fi așezat pe o masă de experimente și analizat. Și chiar dacă ai putea, prin absurd, să-l așezi pe masa de experimente, cum îl analizezi? Trimiți fotoni spre el, fotoni pe care să-i captezi ulterior ca să-ți arate cum arată un foton? Fotonii trec unii prin alții... Ajungem la absurdități, dar un astfel de exercițiu mental arată limitele definitive ale cercetării în anumite zone.

Ok, să ne oprim un pic și să tragem linie

Fotonul se deplasează cu viteza luminii, nu are masă (este, prin urmare, energie), nu experimentează timpul, este atât particulă, cât și undă, teoria cuantică îl înțelege ca o vibrație a câmpului fotonic, se poate transforma în alte particule fundamentale și este imposibil de explorat în profunzime.

Ce e fotonul? O entitate „fantomă”, paradoxală în tot ce știm despre el, esențial pentru viață, a cărei natură ultimă nu o vom stabili niciodată...