Fotony

V moderní fyzice je foton elementární částice, která je zodpovědná za elektromagnetické jevy. Zprostředkovává elektromagnetické interakce a je základní složkou všech forem elektromagnetického záření, tedy světla. Foton má nulovou klidovou hmotnost a v prázdném prostoru se pohybuje konstantní rychlostí c; v přítomnosti hmoty může být zpomalen nebo dokonce pohlcen a přenáší energii a hybnost úměrnou své frekvenci. Foton má vlnové i částicové vlastnosti; vykazuje vlnově-částicový dualismus.

Moderní koncept fotonu postupně (v letech 1905-17) vypracoval Albert Einstein, aby vysvětlil experimentální pozorování, která se zdála být podle klasického vlnového modelu světla nenormální. Model fotonu zachycoval zejména frekvenční závislost energie a hybnosti světla a vysvětloval schopnost hmoty a záření být v tepelné rovnováze. Další fyzikové se snažili vysvětlit tato anomální pozorování pomocí semiklasických modelů, v nichž je světlo stále popsáno Maxwellovými rovnicemi, ale hmotné objekty, které světlo vyzařují a pohlcují, jsou kvantovány. Ačkoli tyto semiklasické modely přispěly k rozvoji kvantové mechaniky, experimenty nakonec prokázaly Einsteinovu hypotézu, že světlo samo o sobě je částicové.

Koncept fotonu vedl k mnoha pokrokům v experimentální a teoretické fyzice, například k laserům, Boseho-Einsteinově kondenzaci, kvantové teorii pole a pravděpodobnostní interpretaci kvantové mechaniky. Podle standardního modelu částicové fyziky jsou fotony zodpovědné za vznik všech elektrických a magnetických polí a samy jsou produktem požadavku, aby fyzikální zákony měly v každém bodě časoprostoru určitou symetrii. Vlastní vlastnosti fotonů – jako je náboj, hmotnost a spin – jsou určeny vlastnostmi této měřítkové symetrie. Fotony mají mnoho aplikací v technice, například ve fotochemii, CCD kamerách, lékařském zobrazování, mikroskopii s vysokým rozlišením a měření vzdáleností molekul. V poslední době se fotony studují jako prvky kvantových počítačů a pro sofistikované aplikace v optické komunikaci, jako je kvantová kryptografie.

Foton byl původně Albertem Einsteinem nazván „kvantem světla“ (das Lichtquant). Moderní název „foton“ pochází z řeckého slova pro světlo φῶς a byl vytvořen v roce 1926 fyzikálním chemikem Gilbertem N. Lewisem, který publikoval spekulativní teorii, podle níž jsou fotony „nestvořitelné a nezničitelné“. Přestože Lewisova teorie nebyla nikdy přijata – byla popřena mnoha experimenty – jeho nový název, foton, byl okamžitě přijat většinou fyziků.

Ve fyzice se foton obvykle označuje symbolem , řeckým písmenem gama. V chemii a optické technice se fotony obvykle označují symbolem , což je energie fotonu, kde Planckova konstanta a řecké písmeno (nu) je frekvence fotonu. Mnohem méně často lze foton symbolizovat hf, kde se jeho frekvence označuje f.

Fyzikální vlastnosti fotonu

Foton je bez hmotnosti, nemá elektrický náboj a v prázdném prostoru se samovolně nerozpadá. Foton má dva možné stavy polarizace a je popsán třemi spojitými parametry: složkami svého vlnového vektoru, které určují jeho vlnovou délku a směr šíření. Fotony jsou emitovány při mnoha přírodních procesech, např. při urychlování náboje, při skoku atomu nebo jádra z vyšší energetické hladiny na nižší nebo při anihilaci částice a její antičástice. Fotony jsou pohlcovány při časově obrácených procesech, např. při vzniku párů částice-antičástice nebo při přechodu atomu či jádra na vyšší energetickou hladinu.

Protože foton je bezhmotný, pohybuje se rychlostí (rychlost světla v prázdném prostoru) a jeho energie a hybnost jsou spojeny vztahem , kde je velikost hybnosti. Pro srovnání, odpovídající rovnice pro částice s neměnnou hmotností by byla , jak je uvedeno ve speciální teorii relativity.

Energie a hybnost fotonu závisí pouze na jeho frekvenci nebo ekvivalentně na jeho vlnové délce.

a tudíž velikost momentu hybnosti je

kde (známá jako Diracova konstanta nebo Planckova redukovaná konstanta); je vlnový vektor (jehož velikostí je vlnové číslo) a je úhlová frekvence. Všimněte si, že ukazuje ve směru šíření fotonu. Foton také nese spinový úhlový moment hybnosti, který nezávisí na jeho frekvenci. Velikost jeho spinu je a složka měřená podél směru jeho pohybu, jeho helicita, musí být . Tyto dvě možné helicity odpovídají dvěma možným stavům kruhové polarizace fotonu (pravotočivý a levotočivý).

Pro ilustraci významu těchto vzorců uveďme, že anihilace částice s její antičásticí musí vést ke vzniku alespoň dvou fotonů, a to z následujícího důvodu. V rámci středu hmotnosti nemají srážející se antičástice žádnou čistou hybnost, zatímco jeden foton hybnost vždy má. Proto zachování hybnosti vyžaduje, aby vznikly alespoň dva fotony s nulovou čistou hybností. Energii obou fotonů – nebo ekvivalentně jejich frekvenci – lze určit ze zachování čtyř hybností. Opačný proces, párová produkce, je dominantním mechanismem, kterým vysokoenergetické fotony, jako je například gama záření, ztrácejí energii při průchodu hmotou.

Klasické vzorce pro energii a hybnost elektromagnetického záření lze znovu vyjádřit v termínech fotonových událostí. Například tlak elektromagnetického záření na objekt vyplývá z přenosu hybnosti fotonu za jednotku času a jednotku plochy na tento objekt, protože tlak je síla na jednotku plochy a síla je změna hybnosti za jednotku času.

Historický vývoj konceptu fotonu

Dvojštěrbinový experiment Thomase Younga v roce 1805 ukázal, že světlo se může chovat jako vlna, a pomohl tak překonat první částicové teorie světla.

Ve většině teorií až do 18. století bylo světlo představováno jako částicové. Protože částicové modely nemohou snadno vysvětlit lom, difrakci a dvojlom světla, navrhli René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) a Christian Huygens (1678) vlnové teorie světla; částicové modely však zůstaly dominantní, zejména díky vlivu Isaaca Newtona. Na počátku devatenáctého století Thomas Young a August Fresnel jasně prokázali interferenci a difrakci světla a do roku 1850 byly vlnové modely obecně přijaty. V roce 1865 se zdálo, že předpověď Jamese Clerka Maxwella, že světlo je elektromagnetické vlnění – která byla experimentálně potvrzena v roce 1888 objevením rádiových vln Heinrichem Hertzem – je poslední ranou částicovým modelům světla.

Maxwellova vlnová teorie však nevysvětluje všechny vlastnosti světla. Maxwellova teorie předpovídá, že energie světelné vlny závisí pouze na její intenzitě, nikoliv na její frekvenci, nicméně několik nezávislých typů experimentů ukazuje, že energie předávaná světlem atomům závisí pouze na frekvenci světla, nikoliv na jeho intenzitě. Například některé chemické reakce lze vyvolat pouze světlem o frekvenci vyšší než určitý práh; světlo o nižší frekvenci, bez ohledu na to, jak je intenzivní, není schopno reakci vyvolat. Podobně lze elektrony z kovové desky vyrazit, pokud na ni svítí světlo s dostatečně vysokou frekvencí (fotoelektrický jev); energie vyraženého elektronu souvisí pouze s frekvencí světla, nikoli s jeho intenzitou.

Současně výzkumy záření černého tělesa, které prováděli různí badatelé po čtyři desetiletí (1860-1900), vyústily v hypotézu Maxe Plancka, že energie každého systému, který pohlcuje nebo vyzařuje elektromagnetické záření o frekvenci, je celočíselným násobkem energetického kvanta . Jak ukázal Albert Einstein, pro vysvětlení pozorované tepelné rovnováhy mezi hmotou a elektromagnetickým zářením je třeba předpokládat určitou formu kvantování energie.

První námitky proti fotonové hypotéze

Až do roku 1923 se většina fyziků zdráhala připustit, že elektromagnetické záření je kvantované. Místo toho se snažili vysvětlit chování fotonů kvantováním hmoty, jako v Bohrově modelu atomu vodíku (na obrázku). Ačkoli všechny semiklasické modely byly experimentálně vyvráceny, tyto rané atomové modely vedly ke vzniku kvantové mechaniky.

Einsteinovy předpovědi z roku 1905 byly během prvních dvou desetiletí 20. století experimentálně ověřeny několika způsoby, jak o tom vyprávěl Robert Millikan ve své Nobelově přednášce. Před Comptonovým experimentem, který ukázal, že fotony mají hybnost úměrnou své frekvenci (1922), se však většina fyziků zdráhala uvěřit, že by elektromagnetické záření samo o sobě mohlo být částicové. (Viz například Nobelovy přednášky Wienovy, Planckovy a Millikanovy.) Tato neochota je pochopitelná vzhledem k úspěchu a věrohodnosti Maxwellova elektromagnetického vlnového modelu světla. Většina fyziků proto spíše předpokládala, že kvantování energie vyplývá z nějakého neznámého omezení hmoty, která pohlcuje nebo vyzařuje záření. Niels Bohr, Arnold Sommerfeld a další vyvinuli atomové modely s diskrétními energetickými hladinami, které dokázaly kvalitativně vysvětlit ostré spektrální čáry a kvantizaci energie pozorované při emisi a absorpci světla atomy; jejich modely se výborně shodovaly se spektrem vodíku, ale ne se spektry jiných atomů. Teprve Comptonův rozptyl fotonu volným elektronem (který nemůže mít žádné energetické hladiny, protože nemá žádnou vnitřní strukturu) přesvědčil většinu fyziků, že světlo samo o sobě je kvantované.

Zpřesněné Comptonovy experimenty však ukázaly, že energie a hybnost se v elementárních procesech zachovává mimořádně dobře a že otřesy elektronu a vznik nového fotonu při Comptonově rozptylu se řídí kauzalitou s přesností na 10 ps. Proto Bohr a jeho spolupracovníci vypravili svému modelu „co nejčestnější pohřeb“. Nicméně model BKS inspiroval Wernera Heisenberga při vývoji kvantové mechaniky.

Několik fyziků vytrvale rozvíjelo semiklasické modely, v nichž elektromagnetické záření není kvantováno, ale hmota se řídí zákony kvantové mechaniky. Přestože důkazy o existenci fotonů z chemických a fyzikálních experimentů byly v 70. letech 20. století ohromující, nebylo možné tyto důkazy považovat za naprosto definitivní; protože se opíraly o interakci světla s hmotou, mohla je v principu vysvětlit dostatečně složitá teorie hmoty. Nicméně všechny semiklasické teorie byly v sedmdesátých a osmdesátých letech definitivně vyvráceny elegantními experimenty s fotonovou korelací. Proto se Einsteinova hypotéza, že kvantování je vlastností samotného světla, považuje za prokázanou.

Dualita vlny a částice a principy neurčitosti

Fotony vykazují jak vlnové, tak částicové vlastnosti a jejich dvojí vlnově-částicová povaha může být obtížně vizualizovatelná. Foton zřetelně vykazuje vlnové jevy, jako je difrakce a interference na délkové škále své vlnové délky. Například jediný foton procházející experimentem s dvojitou štěrbinou dopadá na obrazovku s pravděpodobnostním rozložením daným jeho interferenčním obrazcem určeným Maxwellovými rovnicemi. Experimenty však potvrzují, že foton není krátkým impulsem elektromagnetického záření; při svém šíření se nerozšiřuje, ani se nerozděluje, když narazí na rozdělovač paprsků. Foton se spíše jeví jako bodová částice, protože je pohlcován nebo vyzařován jako celek libovolně malými systémy, systémy mnohem menšími, než je jeho vlnová délka, jako je atomové jádro (≈10-15 m v průměru) nebo dokonce bodový elektron. Nicméně foton není bodová částice, jejíž trajektorie je pravděpodobně utvářena elektromagnetickým polem, jak si to představoval Einstein a další; tuto hypotézu vyvrátily i výše citované fotonové korelační experimenty. Podle našeho současného chápání je samotné elektromagnetické pole vytvářeno fotony, které zase vyplývají z lokální měřítkové symetrie a zákonů kvantové teorie pole (viz níže části Druhé kvantování a Gauge boson).

Heisenbergův myšlenkový experiment pro lokalizaci elektronu (zobrazen modře) pomocí mikroskopu s vysokým rozlišením záření gama. Přicházející záření gama (znázorněné zeleně) je rozptýleno elektronem až do úhlu apertury mikroskopu θ. Rozptýlené záření gama je znázorněno červeně. Klasická optika ukazuje, že polohu elektronu lze rozlišit pouze s nejistotou Δx, která závisí na θ a vlnové délce λ přicházejícího světla.

Kvantová mechanika hmotných částic obsahuje princip neurčitosti, který zakazuje současné měření polohy a hybnosti částice ve stejném směru. Analogický princip pro fotony zakazuje současné měření počtu fotonů (viz Fockův stav a oddíl Druhé kvantování níže) v elektromagnetické vlně a fáze této vlny.

Další podrobnosti viz koherentní stav a stlačený koherentní stav.

Pozoruhodné je, že kvantování světla na fotony a dokonce i frekvenční závislost energie a hybnosti fotonu lze považovat za nezbytné důsledky kvantové mechaniky nabitých hmotných částic, jako je elektron. Elegantní ilustrací je myšlenkový experiment Wernera Heisenberga pro lokalizaci elektronu pomocí ideálního mikroskopu. Polohu elektronu lze určit v rámci rozlišovací schopnosti mikroskopu, která je dána vzorcem z klasické optiky

kde je úhel apertury mikroskopu. Zmenšením vlnové délky lze tedy nejistotu polohy libovolně zmenšit. Hybnost elektronu je nejistá, protože dostal „kopanec“ od světla, které se od něj rozptýlilo do mikroskopu. Pokud by světlo nebylo kvantováno na fotony, bylo by možné nejistotu libovolně zmenšit snížením intenzity světla. V takovém případě, protože vlnovou délku a intenzitu světla lze měnit nezávisle, by bylo možné určit polohu a hybnost současně s libovolně vysokou přesností, čímž by byl porušen princip neurčitosti. Naproti tomu Einsteinův vzorec pro hybnost fotonu zachovává princip neurčitosti; protože foton je rozptýlen kdekoli uvnitř apertury, neurčitost přenesené hybnosti se rovná

a získáme součin , který je Heisenbergovým principem neurčitosti. Celý svět je tedy kvantován; jak hmota, tak pole se musí řídit konzistentním souborem kvantových zákonů, pokud má být jedno z nich kvantováno.

Boseho-Einsteinův model fotonového plynu

V roce 1924 odvodil Satyendra Nath Bose Planckův zákon záření černého tělesa, aniž by použil elektromagnetismus, ale spíše modifikaci hrubého počítání fázového prostoru. Einstein ukázal, že tato modifikace je ekvivalentní předpokladu, že fotony jsou přísně identické, a že z ní vyplývá „záhadná nelokální interakce“, která je nyní chápána jako požadavek na symetrický kvantově mechanický stav. Tato práce vedla ke koncepci koherentních stavů a k vývoji laseru. Ve stejných pracích Einstein rozšířil Boseho formalismus na hmotné částice (bosony) a předpověděl, že při dostatečně nízkých teplotách budou kondenzovat do svého nejnižšího kvantového stavu; tato Boseho-Einsteinova kondenzace byla experimentálně pozorována v roce 1995.

Fotony se musí řídit Boseho-Einsteinovou statistikou, pokud mají umožnit princip superpozice elektromagnetických polí, tedy podmínku, že Maxwellovy rovnice jsou lineární. Všechny částice se dělí na bosony a fermiony podle toho, zda mají celočíselný, respektive poloceločíselný spin. Ze spinové statistické věty vyplývá, že všechny bosony se řídí Boseho-Einsteinovou statistikou, zatímco všechny fermiony se řídí Fermiho-Diracovou statistikou, respektive Pauliho vylučovacím principem, který říká, že v daném stavu může být nejvýše jedna částice. Pokud by tedy foton byl fermion, mohl by se v daném směru pohybovat vždy pouze jeden foton. To je v rozporu s experimentálním pozorováním, že lasery mohou produkovat koherentní světlo libovolné intenzity, tj. s mnoha fotony pohybujícími se stejným směrem. Foton tedy musí být boson a řídit se Boseho-Einsteinovou statistikou.

Stimulovaná a spontánní emise

Stimulovanou emisi (při níž se fotony „klonují“) předpověděl Einstein ve svém kinetickém odvození E=hν a vedla k vývoji laseru. Einsteinovo odvození také podnítilo další vývoj v oblasti kvantového zpracování světla, semiklasického modelu a kvantové elektrodynamiky (viz níže).

V roce 1916 Einstein ukázal, že Planckovu kvantovou hypotézu lze odvodit z rovnice kinetické rychlosti. Uvažujme dutinu v tepelné rovnováze naplněnou elektromagnetickým zářením a systémy, které mohou toto záření vyzařovat a pohlcovat. Tepelná rovnováha vyžaduje, aby hustota počtu fotonů s frekvencí byla v čase konstantní; rychlost vyzařování fotonů o dané frekvenci se tedy musí rovnat rychlosti jejich pohlcování.

Einstein předpokládal, že rychlost, s jakou systém absorbuje foton o určité frekvenci a přechází z nižší energie na vyšší, je úměrná počtu molekul s energií a hustotě počtu okolních fotonů s touto frekvencí.

kde je rychlostní konstanta absorpce.

Einstein vyslovil ještě odvážnější hypotézu, že zpětná rychlost, při níž systém vyzáří foton o určité frekvenci a přejde z vyšší energie na nižší, se skládá ze dvou členů:

kde je rychlostní konstanta pro spontánní emisi fotonu a rychlostní konstanta pro emisi v reakci na okolní fotony (indukovaná nebo stimulovaná emise). Einstein ukázal, že Planckův vzorec pro energii je nutným důsledkem těchto hypotetických rovnic rychlosti a základních požadavků, aby okolní záření bylo v tepelné rovnováze se systémy, které záření absorbují a emitují, a nezáviselo na materiálovém složení systémů.

Tento jednoduchý kinetický model byl silným podnětem pro výzkum. Einsteinovi se podařilo ukázat, že (tj. že rychlostní konstanty pro indukovanou emisi a absorpci jsou stejné) a, což je možná ještě pozoruhodnější,

Einstein se nepokusil zdůvodnit své rovnice rychlosti, ale poznamenal, že a měly by být odvozeny z „mechaniky a elektrodynamiky upravené tak, aby vyhovovaly kvantové hypotéze“. Tato předpověď se potvrdila v kvantové mechanice, respektive kvantové elektrodynamice; obě jsou nutné k odvození Einsteinových rychlostních konstant z prvních principů. Paul Dirac odvodil v roce 1926 rychlostní konstanty pomocí semiklasického přístupu a v roce 1927 se mu podařilo odvodit všechny rychlostní konstanty z prvních principů. Diracova práce byla základem kvantové elektrodynamiky, tj. kvantování samotného elektromagnetického pole. Diracův přístup se také nazývá druhá kvantizace nebo kvantová teorie pole; dřívější kvantová mechanika (kvantizace hmotných částic pohybujících se v potenciálu) představuje „první kvantizaci“.

Einsteinovi vadilo, že se jeho teorie zdála neúplná, protože neurčovala směr spontánně emitovaného fotonu. Pravděpodobnostní povahu pohybu světla a částic poprvé zvažoval Newton ve svém pojednání o dvojlomu a obecněji o rozdělení světelných paprsků na rozhraní na paprsek vyslaný a odražený. Newton předpokládal, že skryté proměnné v částici světla určují, jakou cestou se bude ubírat. Podobně Einstein doufal v úplnější teorii, která by neponechávala nic náhodě, a zahájil tak svůj odstup od kvantové mechaniky. Je ironií osudu, že pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce Maxe Borna byla inspirována Einsteinovou pozdější prací hledající úplnější teorii.

Různé elektromagnetické módy (jako jsou ty, které jsou zde zobrazeny) lze považovat za nezávislé jednoduché harmonické oscilátory. Foton odpovídá jednotce energie E=hν ve svém elektromagnetickém módu.

V roce 1910 Peter Debye odvodil Planckův zákon o záření černého tělesa z poměrně jednoduchého předpokladu. Správně rozložil elektromagnetické pole v dutině na jeho Fourierovy módy a předpokládal, že energie v každém módu je celočíselným násobkem , kde je frekvence elektromagnetického módu. Planckův zákon vyzařování černého tělesa vyplývá okamžitě jako geometrický součet. Debyeův přístup však neposkytl správný vzorec pro fluktuace energie záření černého tělesa, které odvodil Einstein v roce 1909.

V roce 1925 Born, Heisenberg a Jordan zásadním způsobem reinterpretovali Debyeho koncept. Jak lze klasicky ukázat, Fourierovy módy elektromagnetického pole – úplný soubor elektromagnetických rovinných vln indexovaných jejich vlnovým vektorem a stavem polarizace – jsou ekvivalentní souboru nespojitých jednoduchých harmonických oscilátorů. Při kvantově mechanickém zpracování je známo, že energetické hladiny těchto oscilátorů jsou , kde je frekvence oscilátoru. Klíčovým novým krokem bylo identifikovat elektromagnetický mód s energií jako stav s fotony, z nichž každý má energii . Tento přístup dává správný vzorec pro fluktuaci energie.

V kvantové teorii pole se pravděpodobnosti událostí počítají součtem všech možných způsobů, jak k nim může dojít, jak je znázorněno na Feynmanově diagramu.

Dirac šel ještě o krok dál. Interakci mezi nábojem a elektromagnetickým polem považoval za malou perturbaci, která vyvolává přechody ve stavech fotonů, mění počty fotonů v jednotlivých módech a celkově zachovává energii a hybnost. Dirac dokázal odvodit Einsteinovy a koeficienty z prvních principů a ukázal, že Boseho-Einsteinova statistika fotonů je přirozeným důsledkem správného kvantování elektromagnetického pole. (Boseho úvahy šly opačným směrem; Planckův zákon o záření černého tělesa odvodil na základě předpokladu BE statistiky). V Diracově době ještě nebylo známo, že všechny bosony, včetně fotonů, musí podléhat statistice BE.

Diracova perturbační teorie druhého řádu může zahrnovat virtuální fotony, přechodné mezistavy elektromagnetického pole; statické elektrické a magnetické interakce jsou zprostředkovány těmito virtuálními fotony. V takových kvantových teoriích pole se amplituda pravděpodobnosti pozorovaných událostí počítá součtem všech možných mezistupňů, i těch, které nejsou fyzikální; virtuální fotony tedy nejsou omezeny na splnění , a mohou mít další polarizační stavy; v závislosti na použitém měřidle mohou mít virtuální fotony tři nebo čtyři polarizační stavy namísto dvou stavů skutečných fotonů. Přestože tyto přechodné virtuální fotony nelze nikdy pozorovat, přispívají měřitelně k pravděpodobnostem pozorovatelných událostí. Takové perturbační výpočty druhého a vyššího řádu mohou totiž k součtu přispívat nekonečně, což je problém, který byl v kvantové elektrodynamice překonán renormalizací. K součtu mohou přispívat i další virtuální částice; například dva fotony mohou interagovat nepřímo prostřednictvím virtuálních párů elektron-pozitron.

V moderní fyzikální notaci se kvantový stav elektromagnetického pole zapisuje jako Fockův stav, tenzorový součin stavů pro každý elektromagnetický mód.

kde představuje stav, ve kterém se fotony nacházejí v režimu . V tomto zápisu se vznik nového fotonu v módu (např. emitovaného z atomového přechodu) zapíše jako . Tento zápis pouze vyjadřuje výše popsanou Bornovu, Heisenbergovu a Jordanovu koncepci a nepřidává žádné fyzikální poznatky.

Foton jako měřicí boson

Elektromagnetické pole lze chápat jako měřítkovou teorii, tj. jako pole, které vyplývá z požadavku, aby symetrie platila nezávisle v každé poloze časoprostoru. Pro elektromagnetické pole je touto měřítkovou symetrií U(1) symetrie komplexního čísla, která vyjadřuje možnost měnit fázi komplexního čísla, aniž by byla ovlivněna reálná čísla z něj konstruovaná, jako je energie nebo Lagrangián.

Kvanta měřítkového pole musí být bezhmotné bosony, pokud není porušena symetrie; proto se předpokládá, že foton je bezhmotný a má celočíselný spin. Konkrétní podoba elektromagnetické interakce určuje, že foton musí mít nulový elektrický náboj a spin ±1; jeho helicita tedy musí být . Tyto dvě spinové složky odpovídají klasickým pojmům pravotočivého a levotočivého kruhově polarizovaného světla. Přechodné virtuální fotony kvantové elektrodynamiky však mohou nabývat i nefyzikálních polarizačních stavů.

V převládajícím standardním fyzikálním modelu je foton jedním ze čtyř měřítkových bosonů v elektroslabé interakci; další tři se označují W+, W- a Z0 a jsou zodpovědné za slabou interakci. Na rozdíl od fotonu mají tyto měřítkové bosony invariantní hmotnost díky mechanismu, který narušuje jejich SU(2) měřítkovou symetrii. Sjednocení fotonu s měrnými bosony W a Z v elektroslabé interakci provedli Sheldon Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg, za což jim byla v roce 1979 udělena Nobelova cena za fyziku. Fyzikové nadále vytvářejí hypotézy velkých sjednocených teorií, které spojují tyto čtyři měrné bosony s osmi gluonovými měrnými bosony kvantové chromodynamiky; klíčové předpovědi těchto teorií, jako je rozpad protonu, však nebyly experimentálně pozorovány.

Příspěvky fotonů k invariantní hmotnosti systému

Ačkoli je foton sám o sobě bezhmotný, přidává se k invariantní hmotnosti každé soustavy, k níž patří; to platí pro každou formu energie, jak předpovídá speciální teorie relativity. Například invariantní hmotnost systému, který emituje foton, se při emisi sníží o hodnotu, která je rovna energii fotonu v rámci emitujícího systému. Podobně se invariantní hmotnost soustavy, která absorbuje foton, zvýší o odpovídající množství podle energie fotonu v rámci absorbující soustavy.

Tento koncept je použit v klíčové předpovědi QED, teorie kvantové elektrodynamiky, kterou zahájil Dirac (popsáno výše). QED je schopna předpovědět magnetický dipólový moment leptonů s extrémně vysokou přesností; experimentální měření těchto magnetických dipólových momentů s těmito předpověďmi dokonale souhlasí. Předpovědi však vyžadují započítání příspěvků virtuálních fotonů k invariantní hmotnosti leptonu. Dalším příkladem takových příspěvků ověřených experimentálně je QED předpověď Lambova posunu pozorovaného v hyperjemné struktuře vázaných leptonových párů, jako je mionium a pozitronium.

Protože fotony přispívají k tenzoru napětí a energie, působí podle obecné teorie relativity na ostatní objekty gravitační přitažlivostí. Naopak, fotony jsou samy ovlivňovány gravitací; jejich normálně přímé trajektorie mohou být ohýbány deformovaným prostoročasem, jako v případě gravitačního čočkování, a jejich frekvence mohou být sníženy přesunem do vyššího gravitačního potenciálu, jako v Pound-Rebkově experimentu. Tyto efekty však nejsou specifické pro fotony; přesně stejné efekty by se daly předpovědět pro klasické elektromagnetické vlny.

Fotony různých frekvencí se pohybují hmotou různou rychlostí; tomu se říká disperze. Ve hmotě se foton mísí s kvantovými excitacemi hmoty (kvazičásticemi, jako jsou fonony a excitony) a vytváří polariton; tento polariton má nenulovou efektivní hmotnost, což znamená, že se nemůže pohybovat rychlostí c, tedy rychlostí světla ve vakuu. To je formální důvod, proč je světlo v prostředí (např. ve skle) pomalejší než ve vakuu. Rychlost šíření polaritonu se rovná jeho grupové rychlosti, což je derivace energie vzhledem k hybnosti.

Sítnice se narovná po absorpci fotonu γ správné vlnové délky.

kde, jak je uvedeno výše, a jsou energie a hybnost polaritonu a a jsou jeho úhlová frekvence a vlnové číslo. V některých případech může disperze vést k extrémně nízkým rychlostem světla. Účinky interakce fotonu s jinými kvazičásticemi lze pozorovat přímo v Ramanově rozptylu a Brillouinově rozptylu.

Fotony mohou být také absorbovány jádry, atomy nebo molekulami, což vyvolává přechody mezi jejich energetickými hladinami. Klasickým příkladem je molekulární přechod retinalu (C20H28O, obrázek vpravo), který je zodpovědný za vidění a který v roce 1958 objevil nositel Nobelovy ceny za biochemii George Wald a jeho spolupracovníci. Jak je zde ukázáno, absorpce vyvolává cis-trans izomerizaci, která se v kombinaci s dalšími takovými přechody přenáší na nervové impulsy. Absorpce fotonů může dokonce rozbíjet chemické vazby, jako je tomu při fotodisociaci chloru; to je předmětem fotochemie.

Fotony mají v technice mnoho využití. Tyto příklady jsou vybrány spíše pro ilustraci aplikací fotonů jako takových než obecných optických zařízení, jako jsou čočky apod., které by mohly fungovat podle klasické teorie světla. Mimořádně důležitou aplikací je laser, o němž je pojednáno výše v části o stimulované emisi.

Jednotlivé fotony lze detekovat několika metodami. Klasický fotonásobič využívá fotoelektrického jevu; foton dopadající na kovovou destičku vymrští elektron a spustí stále se zesilující lavinu elektronů. Čipy s nábojově vázaným zařízením využívají podobný efekt v polovodičích; dopadající foton vytváří na mikroskopickém kondenzátoru náboj, který lze detekovat. Jiné detektory, například Geigerovy čítače, využívají schopnost fotonů ionizovat molekuly plynu, což způsobuje detekovatelnou změnu vodivosti.

Planckův vzorec pro výpočet energie je často používán inženýry a chemiky při projektování, a to jak pro výpočet změny energie v důsledku absorpce fotonu, tak pro předpověď frekvence vyzařovaného světla pro daný energetický přechod. Například emisní spektrum zářivky lze navrhnout pomocí molekul plynu s různými elektronickými energetickými hladinami a upravit typickou energii, s níž elektron dopadá na molekuly plynu v žárovce.

Za určitých podmínek může být energetický přechod vybuzen dvěma fotony, které by samostatně nestačily. To umožňuje mikroskopii s vyšším rozlišením, protože vzorek absorbuje energii pouze v oblasti, kde se dva paprsky různých barev výrazně překrývají, což může být mnohem menší než excitační objem jednoho paprsku (viz mikrofotónová excitační mikroskopie). Tyto fotony navíc méně poškozují vzorek, protože mají nižší energii.

V některých případech mohou být dva energetické přechody propojeny tak, že když jeden systém absorbuje foton, jiný blízký systém „ukradne“ jeho energii a znovu vyzáří foton o jiné frekvenci. To je základem fluorescenčního rezonančního přenosu energie, který se používá k měření vzdáleností molekul.

Nedávný výzkum fotonů

Předpokládá se, že fundamentální povaha fotonu je teoreticky pochopena; převládající standardní model předpovídá, že foton je bezhmotný, beznábojový boson se spinem 1, který vyplývá z lokální měřítkové symetrie U(1) a zprostředkovává elektromagnetickou interakci. Fyzikové však nadále ověřují nesrovnalosti mezi experimentem a předpověďmi standardního modelu v naději, že najdou vodítka k fyzice mimo standardní model. Fyzikové zejména pokračují ve stanovování stále lepších horních hranic náboje a hmotnosti fotonu; nenulová hodnota obou parametrů by znamenala vážné porušení standardního modelu. Všechny dosavadní experimentální údaje však odpovídají tomu, že foton má nulový náboj a hmotnost. Nejlepší všeobecně přijímané horní hranice náboje a hmotnosti fotonu jsou 10-48 C a 1,8×10-50 kg.

Mnoho výzkumu bylo věnováno aplikacím fotonů v oblasti kvantové optiky. Fotony se zdají být vhodnými prvky ultrarychlého kvantového počítače a kvantové provázání fotonů je předmětem výzkumu. Další aktivní oblastí výzkumu jsou nelineární optické procesy, například dvoufotonová absorpce, samofázová modulace a optické parametrické oscilátory. Tyto procesy však obecně nevyžadují předpoklad fotonů jako takových; často je lze modelovat tak, že se na atomy pohlíží jako na nelineární oscilátory. Nelineární proces spontánní parametrické přeměny dolů se často používá k vytváření jednofotonových stavů. A konečně, fotony jsou nezbytné v některých aspektech optické komunikace, zejména pro kvantovou kryptografii.

Kvarky: Nahoru – Dolů – Podivné – Kouzlo – Dolů – Nahoru Leptony: Elektron – Mion – Tau – Neutrina

Fotony – bosony W a Z – gluony

Higgsův boson – Graviton – Další hypotetické částice