V moderní fyzice je foton elementární částicí zodpovědnou 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 absorbován, přenáší energii a hybnost úměrně své frekvenci. Foton má vlastnosti vln i částic; vykazuje dualitu vln a částic.
Moderní pojetí fotonu vyvinul postupně (1905-17) Albert Einstein, aby vysvětlil experimentální pozorování, která se zdála anomální podle klasického vlnového modelu světla. Zejména fotonový model zachytil frekvenční závislost energie a hybnosti světla a vysvětlil schopnost hmoty a záření být v tepelné rovnováze. Jiní fyzici se snažili vysvětlit tato anomální pozorování pomocí semiklasických modelů, ve kterých je světlo stále popsáno Maxwellovými rovnicemi, ale hmotné objekty, které vyzařují a pohlcují světlo, jsou kvantovány. Ačkoli tyto semiklasické modely přispěly k rozvoji kvantové mechaniky, experimenty nakonec prokázaly Einsteinovu hypotézu, že světlo samo o sobě je částice.
Koncepce fotonu vedla k mnoha pokrokům v experimentální a teoretické fyzice, jako jsou lasery, Boseho-Einsteinova kondenzace, kvantová teorie pole a pravděpodobnostní interpretace kvantové mechaniky. Podle standardního modelu částicové fyziky jsou fotony zodpovědné za produkci všech elektrických a magnetických polí a jsou samy produktem požadavku, aby fyzikální zákony měly určitou symetrii v každém bodě prostoročasu. Vlastnosti fotonů – jako je náboj, hmotnost a spin – jsou dány vlastnostmi této kalibrační symetrie. Fotony mají mnoho aplikací v technologiích, jako je fotochemie, CCD kamery, lékařské zobrazování, mikroskopie s vysokým rozlišením a měření molekulárních vzdáleností. V poslední době byly fotony studovány jako prvky kvantových počítačů a pro sofistikované aplikace v optické komunikaci, jako je kvantová kryptografie.
Foton byl původně Albertem Einsteinem nazýván „světelné kvantum“ (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, ve které byly fotony „netvořitelné a nezničitelné“. Ačkoli Lewisova teorie nebyla nikdy přijata – protože byla v rozporu s mnoha experimenty – jeho nové jméno, foton, přijala většina fyziků okamžitě.
Ve fyzice je foton obvykle označován symbolem , řeckým písmenem gama. V chemii a optickém inženýrství jsou fotony obvykle symbolizovány , energií fotonu, kde je Planckova konstanta a řecké písmeno (nu) je frekvence fotonu. Mnohem méně často může být foton symbolizován hf, kde jeho frekvence je označena f.
Fyzikální vlastnosti fotonu
Foton je nehmotný, nemá elektrický náboj a samovolně se nerozkládá v prázdném prostoru. Foton má dva možné polarizační stavy a je popsán třemi souvislými parametry: složkami jeho vlnového vektoru, které určují jeho vlnovou délku a směr šíření. Fotony jsou vyzařovány v mnoha přírodních procesech, např. když je náboj urychlen, když atom nebo jádro přeskočí z vyšší na nižší energetickou hladinu nebo když je částice a její antičástice zničena. Fotony jsou absorbovány v časově obrácených procesech, např. při vytváření párů částic a antičástic nebo při atomových či jaderných přechodech na vyšší energetickou hladinu.
Vzhledem k tomu, že foton je nehmotný, foton se pohybuje rychlostí (rychlostí světla v prázdném prostoru) a jeho energie a hybnost souvisí s , Kde je velikost hybnosti. Pro srovnání, odpovídající rovnice pro částice s invariantní hmotností by byla , Jak je ukázáno ve speciální relativity.
Energie a hybnost fotonu závisí pouze na jeho frekvenci nebo ekvivalentně vlnové délce
a následně velikost hybnosti je
kde (známý jako Diracova konstanta nebo Planckova redukovaná konstanta); je vlnový vektor (s vlnovým číslem jako jeho magnitudou) a je úhlová frekvence. Všimněte si, že ukazuje ve směru šíření fotonu. Foton také nese spinovou úhlovou hybnost, která nezávisí na jeho frekvenci. Velikost jeho spinu je a složka měřená podél jeho směru pohybu, jeho helicita, musí být . Tyto dvě možné helicity odpovídají dvěma možným kruhovým polarizačním stavům fotonu (pravák a levák).
Pro ilustraci významu těchto vzorců musí anihilace částice s její antičásticí vést k vytvoření alespoň dvou fotonů z následujícího důvodu. Ve středu hmotnostního rámce nemají srážející se antičástice žádnou hybnost, zatímco jediný foton má vždy hybnost. Zachování hybnosti tedy vyžaduje, aby byly vytvořeny alespoň dva fotony s nulovou hybností. Energie obou fotonů – nebo ekvivalentně jejich frekvence – může být určena zachováním čtyřhybnosti. Reverzní proces, produkce párů, je dominantním mechanismem, kterým fotony s vysokou energií, jako je gama záření, ztrácejí energii při průchodu hmotou.
Klasické vzorce pro energii a hybnost elektromagnetického záření mohou být znovu vyjádřeny jako fotonové události. Například tlak elektromagnetického záření na objekt se odvozuje z přenosu fotonové hybnosti za jednotku času a jednotkovou plochu na tento objekt, protože tlak je síla za jednotku plochy a síla je změna hybnosti za jednotku času.
Historický vývoj konceptu fotonu
Pokus Thomase Younga s dvojitou štěrbinou v roce 1805 ukázal, že světlo může působit jako vlna, což pomáhá porazit rané teorie částic světla.
Ve většině teorií až do osmnáctého století bylo světlo zobrazováno jako tvořené částicemi. Protože modely částic nemohou snadno vysvětlit lom, difrakci a birefringenci světla, vlnové teorie světla navrhovali René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) a Christian Huygens (1678); nicméně modely částic zůstaly dominantní, hlavně díky vlivu Isaaca Newtona. Na počátku devatenáctého století Thomas Young a August Fresnel jasně demonstrovali interferenci a difrakci světla a do roku 1850 byly vlnové modely všeobecně přijímány. V roce 1865 se zdála být předpověď Jamese Clerka Maxwella, že světlo je elektromagnetická vlna – která byla experimentálně potvrzena v roce 1888 detekcí rádiových vln Heinrichem Hertzem – poslední ranou pro modely částic světla.
Maxwellova teorie vln však nepočítá se všemi vlastnostmi světla. Maxwellova teorie předpovídá, že energie světelné vlny závisí pouze na její intenzitě, nikoli na její frekvenci; nicméně několik nezávislých typů experimentů ukazuje, že energie dodávaná světlem atomům závisí pouze na frekvenci světla, nikoli na jeho intenzitě. Například některé chemické reakce mohou být vyvolány pouze světlem o frekvenci vyšší než určitý práh; světlo o nižší frekvenci, bez ohledu na to, jak je intenzivní, není schopno reakci vzrušit. Podobně elektrony mohou být vystřeleny z kovové desky tak, že na ni svítí dostatečně vysokofrekvenční světlo (fotoelektrický efekt); energie vystřeleného elektronu souvisí pouze s frekvencí světla, nikoli s jeho intenzitou.
Ve stejné době výzkumy záření černého tělesa prováděné po čtyři desetiletí (1860-1900) různými výzkumníky vyvrcholily hypotézou Maxe Plancka, že energie jakéhokoliv systému, který pohlcuje nebo vyzařuje elektromagnetické záření o frekvenci, je celočíselným násobkem energetického kvanta . Jak ukázal Albert Einstein, je třeba předpokládat určitou formu kvantování energie, aby se počítalo s tepelnou rovnováhou pozorovanou mezi hmotou a elektromagnetickým zářením.
První námitky k hypotéze fotonů
Až do roku 1923 se většina fyziků zdráhala akceptovat, že elektromagnetické záření jako takové bylo kvantováno. Místo toho se snažili vysvětlit chování fotonů kvantováním hmoty, jako v Bohrově modelu atomu vodíku (viz zde). Ačkoli všechny semiklasické modely byly experimentem vyvráceny, tyto rané atomové modely vedly ke kvantové mechanice.
Einsteinovy předpovědi z roku 1905 byly experimentálně ověřeny několika způsoby během prvních dvou desetiletí 20. století, jak je vylíčil Robert Millikan ve své Nobelově přednášce. Nicméně před Comptonovým experimentem ukazujícím, že fotony nesou hybnost úměrnou jejich frekvenci (1922), se většina fyziků zdráhala uvěřit, že by elektromagnetické záření samo o sobě mohlo být částicemi. (Viz například Nobelovy přednášky Wien, Plancka a Millikana.) Tato neochota je pochopitelná, vzhledem k úspěchu a věrohodnosti Maxwellova elektromagnetického vlnového modelu světla. Proto většina fyziků předpokládala spíše, 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 úrovněmi energie, které by mohly kvalitativně vysvětlit ostré spektrální čáry a kvantování energie pozorované při vyzařování 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 žádnou energetickou hladinu, protože nemá žádnou vnitřní strukturu) přesvědčil většinu fyziků, že samo světlo je kvantováno.
Zpřesněné Comptonovy experimenty však ukázaly, že energie-hybnost je mimořádně dobře zachována v elementárních procesech; a také že otřesy elektronu a generování nového fotonu v Comptonově rozptylu poslouchají kauzalitu s přesností na 10 ps. V souladu s tím Bohr a jeho spolupracovníci poskytli svému modelu „co nejčestnější pohřeb“. Nicméně model BKS inspiroval Wernera Heisenberga v jeho vývoji kvantové mechaniky.
Několik fyziků vytrvalo ve vývoji semiklasických modelů, v nichž elektromagnetické záření není kvantováno, ale hmota se řídí zákony kvantové mechaniky. Přestože důkazy pro fotony z chemických a fyzikálních experimentů byly v sedmdesátých letech ohromující, tyto důkazy nemohly být považovány za absolutně definitivní; protože se opíraly o interakci světla s hmotou, dostatečně komplikovaná teorie hmoty mohla tyto důkazy v zásadě vysvětlit. Nicméně všechny semiklasické teorie byly v sedmdesátých a osmdesátých letech definitivně vyvráceny elegantními experimenty s korelací fotonů. Proto je Einsteinova hypotéza, že kvantování je vlastností samotného světla, považována za prokázanou.
Principy duality a neurčitosti vlnových částic
Fotony vykazují vlastnosti podobné vlnám i částicím a jejich duální charakter vln a částic může být obtížné vizualizovat. Foton vykazuje jasně vlnovité jevy, jako je difrakce a interference na délkové škále své vlnové délky. Například jediný foton procházející experimentem s dvojitou štěrbinou přistane na obrazovce s rozložením pravděpodobnosti dané jeho interferenčním vzorcem určeným Maxwellovými rovnicemi. Experimenty však potvrzují, že foton není krátkým impulsem elektromagnetického záření; při šíření se nerozprostírá, ani se nedělí, když narazí na rozdělovač paprsků. Spíše se foton jeví jako bodová částice, protože je absorbován nebo emitován 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 bodově podobná částice, jejíž trajektorie je pravděpodobnostně utvářena elektromagnetickým polem, jak ji koncipoval Einstein a další; tato hypotéza byla také vyvrácena výše uvedenými experimenty s korelací fotonu. Podle našeho současného chápání je elektromagnetické pole samo produkováno fotony, které zase vyplývají z lokální kalibrační symetrie a zákonů kvantové teorie pole (viz druhá kvantovaná část a část Gaugova bosonu níže).
Heisenbergův myšlenkový experiment pro lokalizaci elektronu (zobrazen modře) gama-paprskovým mikroskopem s vysokým rozlišením. Přicházející gama paprsek (zobrazen zeleně) je rozptýlen elektronem do úhlu otvoru mikroskopu θ. Rozptýlený gama paprsek je zobrazen červeně. Klasická optika ukazuje, že pozice elektronu může být rozlišena pouze do neurčitosti Δx, která závisí na θ a vlnové délce λ přicházejícího světla.
Kvantová mechanika hmotných částic se vyznačuje principem 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 druhý kvantifikační oddíl níže) v elektromagnetické vlně a fázi této vlny.
Další podrobnosti najdete v přehledu o koherentním stavu a stlačeném koherentním stavu.
Pozoruhodné je, že kvantování světla do fotonů 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 nalezení elektronu s ideálním mikroskopem. Polohu elektronu lze určit v rámci rozlišovací síly mikroskopu, která je dána vzorcem z klasické optiky.
kde je úhel clony mikroskopu. Tudíž nejistota polohy může být libovolně zmenšena zmenšením vlnové délky. Hybnost elektronu je nejistá, protože dostal „kopanec“ od světla, které se od něj rozptýlilo do mikroskopu. Pokud by světlo nebylo kvantováno na fotony, nejistota by mohla být libovolně zmenšena snížením intenzity světla. V takovém případě, protože vlnová délka a intenzita světla mohou být nezávisle měněny, by bylo možné současně určit polohu a hybnost s libovolně vysokou přesností, čímž by byl porušen princip nejistoty. Naproti tomu Einsteinův vzorec pro hybnost fotonu zachovává princip nejistoty; protože foton je rozptýlen kdekoliv uvnitř clony, nejistota přenášené hybnosti se rovná
dává produkt , Což je Heisenbergův princip neurčitosti. Tedy, celý svět je kvantován; jak hmota a pole musí dodržovat konzistentní soubor kvantových zákonů, pokud jeden z nich má být kvantován.
Boseho–Einsteinův model fotonového plynu
V roce 1924 Satyendra Nath Bose odvodil Planckův zákon záření černého tělesa bez použití jakéhokoli elektromagnetismu, ale spíše modifikace hrubozrnného počítání fázového prostoru. Einstein ukázal, že tato modifikace je ekvivalentní k předpokladu, že fotony jsou přísně identické a že implikuje „záhadnou ne-lokální interakci“, nyní chápanou jako požadavek na symetrický kvantově mechanický stav. Tato práce vedla ke konceptu koherentních stavů a k vývoji laseru. Ve stejných pracích Einstein rozšířil Boseův formalismus na hmotné částice (bosony) a předpověděl, že budou kondenzovat do svého nejnižšího kvantového stavu při dostatečně nízkých teplotách; tato Boseho-Einsteinova kondenzace byla experimentálně pozorována v roce 1995.
Fotony se musí řídit Boseovou-Einsteinovou statistikou, pokud mají umožnit princip superpozice elektromagnetických polí, což je podmínka, že Maxwellovy rovnice jsou lineární. Všechny částice se dělí na bosony a fermiony, podle toho, zda mají celočíselný nebo poloceločíselný spin. Spin-statistická věta ukazuje, že všechny bosony se řídí Boseovou-Einsteinovou statistikou, zatímco všechny fermiony se řídí Fermiho-Diracovou statistikou nebo ekvivalentně Pauliho vylučovacím principem, který říká, že nanejvýš jedna částice může obsadit jakýkoli daný stav. Pokud by tedy foton byl fermion, mohl by se v určitém směru pohybovat pouze jeden foton. To je v rozporu s experimentálním pozorováním, že lasery mohou produkovat koherentní světlo libovolné intenzity, tedy s mnoha fotony pohybujícími se stejným směrem. Proto musí být foton bosonem a řídit se Boseovou-Einsteinovou statistikou.
Stimulovaná a spontánní emise
Stimulovaná emise (při které se fotony „klonují“ samy) byla předpovězena Einsteinem v jeho kinetické derivaci E=hν a vedla k vývoji laseru. Einsteinovo derivování také vyvolalo další vývoj v kvantovém zpracování světla, semiklasickém modelu a kvantové elektrodynamice (viz níže).
V roce 1916 Einstein ukázal, že Planckova kvantová hypotéza může být odvozena z rovnice kinetické rychlosti. Vezměme si dutinu v tepelné rovnováze a vyplněnou elektromagnetickým zářením a systémy, které mohou emitovat a absorbovat toto záření. Tepelná rovnováha vyžaduje, aby hustota počtu fotonů s frekvencí byla v čase konstantní; tudíž rychlost emitování fotonů této frekvence se musí rovnat rychlosti jejich absorbování.
Einstein vyslovil hypotézu, že rychlost, jakou systém absorbuje foton o frekvenci a přechod z nižší energie na vyšší energii, je úměrná počtu molekul s energií a hustotě okolních fotonů s touto frekvencí.
kde je rychlostní konstanta pro absorpci.
Odvážnější je Einsteinova hypotéza, že zpětná rychlost pro systém emitující foton frekvence a přechod z vyšší energie na nižší energii se skládá ze dvou pojmů:
kde je rychlostní konstanta pro spontánní vyzařování fotonu a je rychlostní konstanta pro jeho vyzařování v reakci na okolní fotony (indukované nebo stimulované vyzařování). Einstein ukázal, že Planckův energetický vzorec je nutným důsledkem těchto hypotetických rychlostních rovnic a základních požadavků, aby okolní záření bylo v tepelné rovnováze se systémy, které pohlcují a vyzařují záření a nezávislé na materiálovém složení systémů.
Tento jednoduchý kinetický model byl silným podnětem pro výzkum. Einstein byl schopen ukázat, že (tj. rychlostní konstanty pro indukované emise a absorpce jsou stejné) a možná ještě pozoruhodněji,
Einstein se nepokusil ospravedlnit své rychlostní rovnice, ale poznamenal, že by měly být odvozitelné z „mechaniky a elektrodynamiky upravené tak, aby vyhovovaly kvantové hypotéze“. Tato předpověď byla potvrzena v kvantové mechanice, respektive kvantové elektrodynamice; obě jsou nutné k odvození Einsteinových rychlostních konstant z prvních principů. Paul Dirac odvodil rychlostní konstanty v roce 1926 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 kvantování nebo kvantová teorie pole; dřívější kvantová mechanika (kvantování hmotných částic pohybujících se v potenciálu) představuje „první kvantování“.
Einsteina trápila skutečnost, že jeho teorie se zdála neúplná, protože neurčovala směr spontánně vyzařovaného fotonu. Pravděpodobnostní povaha pohybu světelných částic byla poprvé zvažována Newtonem v jeho léčbě birefringence a obecněji rozdělení světelných paprsků na rozhraní do přenášeného paprsku a odraženého paprsku. Newton předpokládal, že skryté proměnné ve světelné částici určují, kterou cestou se bude ubírat. Podobně Einstein doufal v ucelenější teorii, která neponechá nic náhodě, začínající jeho oddělení od kvantové mechaniky. Paradoxně byla pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce Maxe Borna inspirována Einsteinovou pozdější prací hledající ucelenější teorii.
Různé elektromagnetické režimy (například ty, které jsou zde znázorněny) mohou být považovány za nezávislé jednoduché harmonické oscilátory. Foton odpovídá jednotce energie E=hν v jeho elektromagnetickém režimu.
V roce 1910 Peter Debye odvodil Planckův zákon záření černého tělesa z relativně jednoduchého předpokladu. Správně rozložil elektromagnetické pole v dutině do svých Fourierových režimů a předpokládal, že energie v jakémkoli režimu byla celočíselným násobkem , Kde je frekvence elektromagnetického režimu. Planckův zákon záření černého tělesa následuje okamžitě jako geometrický součet. Nicméně Debyeův přístup nedokázal dát správný vzorec pro energetické výkyvy záření černého tělesa, které byly odvozeny Einsteinem v roce 1909.
V roce 1925 Born, Heisenberg a Jordan nově interpretovali Debyeho koncept klíčovým způsobem. Jak může být ukázáno klasicky, Fourierovy režimy elektromagnetického pole – kompletní sada elektromagnetických rovinných vln indexovaných jejich vlnovým vektorem a polarizačním stavem – jsou ekvivalentní sadě odpojených jednoduchých harmonických oscilátorů. Zacházeno kvantově mechanicky, energetické hladiny takových oscilátorů jsou známy jako , kde je frekvence oscilátoru. Klíčovým novým krokem bylo identifikovat elektromagnetický režim s energií jako stav s fotony, každý z energie . Tento přístup dává správný vzorec fluktuace energie.
V kvantové teorii pole se pravděpodobnosti událostí počítají sečtením všech možných způsobů, kterými se mohou stát, jak je uvedeno ve Feynmanově diagramu zde.
Dirac v tom pokročil o krok dále. Interakci mezi nábojem a elektromagnetickým polem pojal jako malou perturbaci, která vyvolává přechody ve fotonových stavech, mění počty fotonů v režimech a zároveň šetří energii a hybnost celkově. Dirac byl schopen odvodit Einsteinův a koeficienty z prvních principů a ukázal, že Boseho-Einsteinova statistika fotonů je přirozeným důsledkem správného kvantifikace elektromagnetického pole. (Boseova úvaha šla opačným směrem; Planckův zákon záření černého tělesa odvodil z předpokladu BE statistiky.) V Diracově době ještě nebylo známo, že všechny bosony, včetně fotonů, se musí řídit BE statistikou.
Diracova teorie perturbace druhého řádu může zahrnovat virtuální fotony, přechodné mezistavy elektromagnetického pole; statické elektrické a magnetické interakce jsou zprostředkovány takovými virtuálními fotony. V takových teoriích kvantového pole se amplituda pravděpodobnosti pozorovatelných dějů vypočítává součtem všech možných mezistupňů, i těch, které jsou nehyzické; tudíž virtuální fotony nejsou omezeny na splnění , a mohou mít navíc polarizační stavy; v závislosti na použitém kalibru mohou mít virtuální fotony tři nebo čtyři polarizační stavy, namísto dvou stavů reálných fotonů. Ačkoli tyto přechodné virtuální fotony nemohou být nikdy pozorovány, přispívají měřitelně k pravděpodobnosti pozorovatelných dějů. Takové výpočty perturbace druhého a vyššího řádu mohou skutečně nekonečně přispívat k součtu, což je problém, který byl v kvantové elektrodynamice překonán renormalizací. K sumaci mohou přispívat i další virtuální částice; například dva fotony mohou nepřímo interagovat prostřednictvím virtuálních elektron-pozitronových párů.
V moderní fyzice se kvantový stav elektromagnetického pole zapisuje jako Fockův stav, tedy tenzorový součin stavů pro každý elektromagnetický režim.
kde představuje stav, ve kterém jsou fotony v režimu . V této notaci je vytvoření nového fotonu v režimu (např. vyzářeného při atomovém přechodu) zapsáno jako . Tato notace pouze vyjadřuje výše popsaný pojem Born, Heisenberg a Jordan a nepřidává žádnou fyziku.
Foton jako kalibrační boson
Elektromagnetické pole může být chápáno jako kalibrační teorie, tj. jako pole, které vyplývá z požadavku, aby symetrie držela nezávisle na každé pozici v prostoročasu. Pro elektromagnetické pole je tato kalibrační symetrie U(1) symetrie komplexního čísla, která odráží schopnost měnit fázi komplexního čísla bez ovlivnění reálných čísel z něj vytvořených, jako je energie nebo Lagrangeova.
Kvanta měřicího pole musí být bezhmotné bosony, pokud není porušena symetrie; proto se předpokládá, že foton bude bezhmotný a bude mít celočíselný spin. Konkrétní forma elektromagnetické interakce specifikuje, že foton musí mít nulový elektrický náboj a spin ±1; tedy jeho helicita musí být . Tyto dvě spinové složky odpovídají klasickému pojetí pravotočivého a levotočivého kruhově polarizovaného světla. Přechodné virtuální fotony kvantové elektrodynamiky však mohou také přejímat nehyzikální polarizační stavy.
V převažujícím standardním modelu fyziky je foton jedním ze čtyř kalibračních bosonů v elektroslabé interakci; ostatní tři jsou označeny W+, W- a Z0 a jsou zodpovědné za slabou interakci. Na rozdíl od fotonu mají tyto kalibrační bosony invariantní hmotnost, díky mechanismu, který narušuje jejich kalibrační symetrii SU(2). Sjednocení fotonu s bosony kalibračními W a Z v elektroslabé interakci dosáhli Sheldon Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg, za což dostali v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziku. Fyzikové pokračují v hypotézách velkých sjednocených teorií, které spojují tyto čtyři kalibrační bosony s osmi gluonovými kalibračními bosony kvantové chromodynamiky; nicméně klíčové předpovědi těchto teorií, jako je rozpad protonů, nebyly experimentálně pozorovány.
Příspěvky fotonů k invariantní hmotnosti systému
I když je foton sám o sobě nehmotný, přidává k invariantní hmotnosti jakéhokoli systému, do kterého patří; to platí pro každou formu energie, jak předpovídá speciální teorie relativity. Například invariantní hmotnost systému, který emituje foton, se sníží o množství při emisi, kde je energie fotonu v rámu emitujícího systému. Podobně se invariantní hmotnost systému, který absorbuje foton, zvýší o odpovídající množství na základě energie fotonu v rámu absorbujícího systému.
Tento koncept je aplikován v klíčové predikci QED, teorii kvantové elektrodynamiky, kterou započal Dirac (popsáno výše). QED je schopen predikovat magnetický dipólový moment leptonů s extrémně vysokou přesností; experimentální měření těchto magnetických dipólových momentů se s těmito predikcemi dokonale shodla. Předpovědi však vyžadují počítání příspěvků virtuálních fotonů k invariantní hmotnosti leptonu. Dalším příkladem takových příspěvků ověřených experimentálně je QED predikce Beránkova posunu pozorovaná v hyperjemné struktuře vázaných párů leptonů, jako je muonium a pozitronium.
Vzhledem k tomu, že fotony přispívají k tenzoru stres-energie, působí podle teorie obecné relativity gravitační přitažlivost na jiné objekty. Naopak fotony jsou samy ovlivněny gravitací; jejich normálně přímá trajektorie může být ohnuta deformovaným prostoročasem, jako v gravitačním čočkování, a jejich frekvence může být snížena přechodem na vyšší gravitační potenciál, jako v experimentu Pound-Rebka. Tyto účinky však nejsou specifické pro fotony; přesně stejné účinky by byly předpovězeny pro klasické elektromagnetické vlny.
Fotony různých frekvencí cestují 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, rychlostí světla ve vakuu. To je formální důvod, proč je světlo pomalejší v médiích (jako je sklo) než ve vakuu. Rychlost šíření polaritonu se rovná jeho skupinové rychlosti, což je derivace energie vzhledem k hybnosti
Sítnice se narovná po pohlcení fotonu γ správné vlnové délky.
kde, jak je uvedeno výše, a jsou energie a hybnost polaritonu, a a jsou jeho úhlová frekvence, respektive vlnový počet. V některých případech může mít rozptyl za následek extrémně pomalé rychlosti světla. Účinky fotonových interakcí s jinými kvazi-částicemi mohou být pozorovány 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 sítnice (C20H28O, obrázek vpravo), která je zodpovědná za vidění, jak v roce 1958 objevil nositel Nobelovy ceny za biochemii George Wald a jeho spolupracovníci. Jak je zde ukázáno, absorpce vyvolává cis-trans izomerizaci, která je v kombinaci s dalšími takovými přechody přenášena do nervových impulsů. Absorpce fotonů může dokonce narušit chemické vazby, jako při fotodisociaci chloru; to je předmětem fotochemie.
Fotony mají v technologii mnoho využití. Tyto příklady jsou zvoleny pro ilustraci využití fotonů jako takových, spíše než obecných optických přístrojů, jako jsou čočky apod., které by mohly fungovat podle klasické teorie světla. Laser je nesmírně důležitá aplikace a je diskutován výše v rámci stimulované emise.
Jednotlivé fotony mohou být detekovány několika metodami. Klasická fotomultiplikační trubice využívá fotoelektrický efekt; foton přistávající na kovové desce vystřelí elektron a spustí stále zesilující lavinu elektronů. Čipy zařízení spřažené s nábojem využívají podobný efekt v polovodičích; dopadající foton generuje náboj na mikroskopickém kondenzátoru, který může být detekován. Jiné detektory jako Geigerovy čítače využívají schopnost fotonů ionizovat molekuly plynu, což způsobuje detekovatelnou změnu vodivosti.
Planckův energetický vzorec je často používán inženýry a chemiky při konstrukci, jak pro výpočet změny energie vyplývající z absorpce fotonu, tak pro předpovídání frekvence vyzařovaného světla pro daný energetický přechod. Například emisní spektrum zářivky může být navrženo pomocí molekul plynu s různými elektronickými úrovněmi energie a úpravou typické energie, s níž elektron narazí na molekuly plynu uvnitř žárovky.
Za určitých podmínek může být energetický přechod excitován dvěma fotony, které by jednotlivě nestačily. To umožňuje mikroskopii s vyšším rozlišením, protože vzorek absorbuje energii pouze v oblasti, kde se dva paprsky různých barev významně překrývají, což může být mnohem menší než excitační objem jednoho paprsku (viz dvoufotonová excitační mikroskopie). Navíc tyto fotony způsobují menší poškození vzorku, protože mají nižší energii.
V některých případech mohou být dva energetické přechody spojeny tak, že když jeden systém pohltí foton, jiný blízký systém „ukradne“ jeho energii a znovu emituje foton o jiné frekvenci. To je základ fluorescenčního rezonančního přenosu energie, který se používá k měření molekulárních vzdáleností.
Nedávný výzkum fotonů
Má se za to, že základní podstata fotonu je chápána teoreticky; převládající Standardní model předpovídá, že foton je nehmotný, bezhmotný boson spinu 1, který je výsledkem lokální kalibrační symetrie U(1) a zprostředkovává elektromagnetickou interakci. Fyzikové však pokračují v hledání nesrovnalostí mezi experimentem a předpovědí Standardního modelu v naději, že najdou vodítka k fyzice mimo Standardní model. Fyzikové zejména pokračují v nastavování stále lepších horních limitů náboje a hmotnosti fotonu; nenulová hodnota pro kterýkoli z parametrů by byla vážným porušením Standardního modelu. Nicméně všechna dosavadní experimentální data jsou v souladu s tím, že foton má nulový náboj a hmotnost. Nejlepší všeobecně přijímané horní limity náboje a hmotnosti fotonu jsou 10-48 C, respektive 1,8×10-50 kg.
Mnoho výzkumů bylo věnováno aplikacím fotonů v oblasti kvantové optiky. Fotony se zdají být dobře uzpůsobeny jako prvky ultrarychlého kvantového počítače a kvantové provázání fotonů je těžištěm výzkumu. Nelineární optické procesy jsou další aktivní oblastí výzkumu, s tématy jako dvoufotonová absorpce, samofázová modulace a optické parametrické oscilátory. Takové procesy však obecně nevyžadují předpoklad fotonů jako takových; často mohou být modelovány tak, že atomy jsou považovány za nelineární oscilátory. Nelineární proces spontánní parametrické konverze směrem dolů je často používán k vytváření jednofotonových stavů. A konečně, fotony jsou nezbytné v některých aspektech optické komunikace, zejména pro kvantovou kryptografii.
Quarks: Up • Down • Strange • Charm • Bottom • Top Leptons: Electron • Muon • Tau • Neutrinos
Photon • W a Z bosony • Gluony
Higgsův boson • Graviton • Další hypotetické částice