Как выглядит фотон? В микроскоп не рассмотреть. Ведь фотон движется со скоростью света, он и есть свет. Это надо с микроскопом за ним с такой же скоростью бежать. По теории относительности, микроскоп потяжелеет до бесконечной массы, а для экспериментатора остановится время. Тем не менее, по Сети маршируют фотографии фотонов, и … это как-то странно? Разбираемся.
Источник нового сакрального знания – статья в журнале Physical Review Letters. Картинки именно оттуда. Вот только, почитав саму статью, мы узнаем, что это не фотографии, а компьютерные симуляции. Тем не менее, прорыв огромный, именно так фотон и «выглядит».
А как вообще мы бы представили фотон? Сознание, и ничего с этим не поделаешь, рисует элементарные частицы шариками. Так нас приучили в школе, да и в вузах так рисуют. Для наглядности. Что протон, что нейтрон, что фотон – все шарики да точки. Фотон, правда, еще изображают волнистой линией. Но все равно подразумевают, что это частица.
В текстах учебников, тем не менее, говорят четко: не шарики это. Нет у них четкой границы, а форма может быть разной. Лучше всего это знают химики. Вместо электронов-точек, посаженных на орбиты, в химии принято оперировать некими электронными оболочками, что ближе к истине. Элементарная частица – это сгусток энергии, без четких краев, и даже без надежно определенного положения. Всюду – вероятности. С такой-то вероятностью частица находится тут, с какой-то там. Фотографы иногда играют с множественной экспозицией, фотографируя одного и того же человека, на одном кадре, как он садится на стул, как он стоит за столом, как он выходит из комнаты призрачной фигурой. Вот – довольно точное представление того, как выглядит элементарная частица.
Вот только, почитав саму статью, мы узнаем, что это не фотографии, а компьютерные симуляции. Тем не менее, прорыв огромный, именно так фотон и «выглядит».
С фотоном все еще сложнее. У него нет массы. Именно это обстоятельство позволяет ему лететь со скоростью света. Выше мы говорили, что масса любого объекта при достижении светового предела становится бесконечной. Но нуль – это нуль, а раз так, масса и на скорости света нуль.
А вот время для фотона в самом деле остановилось. С нашей точки зрения фотон покинул лампочку сколько-то долей секунды назад, поглотился у нас в глазу, и исчез. С точки зрения фотона он существует вечно. Как так? А вот так. Наглядная иллюстрация теории относительности. Фотон, движущийся от лампы к вам, воображает, что существовал всегда. Вселенной не было, а он уже был. И ему трудно что-то возразить, потому что в его системе отсчета так и есть.
Учитывая все это, кажется, что и формы у фотона быть не может, но это не так, что блестяще иллюстрирует новая статья, написанная учеными из Бирмингемского университета.
Задача кажется нерешаемой, говорят авторы исследования. Ведь фотоны могут представать то как частицы, то как волны, в зависимости от того, каким способом их наблюдают. Очки и телескопы работают, потому что фотон – волна. Солнечные батареи – потому что фотон суть частица. Наконец, продвинутые физики скажут, что фотона и нет как такового, это некая «энергетическая рябь». Тем не менее, авторам исследования удалось, с помощью приемов классической механики, свести бесконечное разнообразие к конечному количеству вероятных позиций, и дальше дело двинулось веселее.
На картинках мы видим некое поле вероятностей. Где светлее – там фотон скорее всего находится, где темнее – скорее всего, не находится, но кто его знает.
Перед потрясенным зрителем предстает то нечто в виде инфузории, то – напоминающее математическую фигуру, а то вообще полосы какие-то. Фотон – разный, в зависимости от того, откуда он взялся, и что он делает.
Статья написана, и расчеты сделаны, конечно, не ради картинок. Ученым важно понять, что будет, если такой-то фотон упадет на такую-то поверхность. Преломится в такой-то среде. Мы живем в мире фотонов! Вся наша техника работает на электронах, да на фотонах. Так что инженерам новое знание очень пригодится. А инженеры человеческих душ, то есть научные писатели, получили в свое распоряжение эффектные изображения, которые они и толкуют в меру способностей.
Автор: Евгений АРСЮХИН
