Un foton este un tip de particule elementare care formează unitatea de bază a radiației electromagnetice, care include unde radio, infraroșu, lumină vizibilă, ultravioletă, raze X și raze gamma. Fotonii nu au masă, nu au încărcătură electrică și călătoresc cu viteza luminii. Spre deosebire de unele particule, cum ar fi protonii și neutronii, nu se crede că acestea sunt formate din componente mai mici. Ele aparțin unei clase de particule care sunt responsabile pentru forțele fundamentale ale naturii și poartă forța electromagnetică. Conform teoriei electrodinamicii cuantice, modul în care particulele încărcate electric se comportă unele față de altele poate fi descris în termeni de fotoni.
Experimentele efectuate în secolul al XIX-lea păreau să demonstreze că lumina era compusă din valuri. Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea, alte experimente au indicat că era alcătuită din particule. Deși pare contradictoriu, lumina și alte forme de radiație electromagnetică se comportă de fapt ca ambele forme. Fotonii sunt particule de lumină, dar au și proprietăți asemănătoare undelor, cum ar fi lungimea de undă și frecvența.
Fotonii și Materia
Materia poate interacționa cu particulele de lumină în mai multe moduri. Un electron dintr-un atom, de exemplu, poate absorbi un foton, făcându-l să sară la un nivel de energie mai înalt. În timp, electronul se poate întoarce la un nivel de energie mai scăzut, emițând energia suplimentară ca un foton. Ochiul este capabil să detecteze lumina deoarece anumite molecule din retină absorb energie de la fotoni în intervalul de frecvențe ale luminii vizibile. Această energie este transformată în impulsuri electrice care călătoresc de-a lungul nervului optic în creier.
În unele cazuri, electronii pot absorbi particule cu energie relativ mare de lumină ultravioletă, apoi emit energia sub formă de fotoni cu lungime de undă mai mare ai luminii vizibile, un fenomen cunoscut sub numele de fluorescență. Moleculele pot absorbi energie la frecvențele infraroșii, ceea ce le face să se miște mai mult, rezultând o creștere a temperaturii; de aceea obiectele pot fi încălzite de lumina soarelui sau de un încălzitor electric. Fotonii de foarte mare energie, cum ar fi razele X și razele gamma, pot avea un efect distructiv asupra materiei. Au suficientă energie pentru a elimina electronii din atomi, formând ioni încărcați pozitiv și pentru a rupe legăturile chimice. Aceste efecte provoacă modificări chimice care pot fi foarte dăunătoare organismelor vii.
Descoperire
Conceptul și descoperirea fotonului sunt strâns legate de dezvoltarea teoriei cuantice. În jurul anului 1900, fizicianul teoretician Max Planck a găsit o soluție la o problemă care îi tulbura de ceva timp pe oamenii de știință, implicând frecvențele radiațiilor electromagnetice emise de un obiect la diferite temperaturi. El a propus ca energia să vină în unități mici, indivizibile, pe care le-a numit cuante. Lucrările lui Albert Einstein asupra efectului fotoelectric din 1905 au oferit dovezi experimentale puternice că quantele sunt reale. Cu toate acestea, abia în 1926, termenul „foton” a fost folosit pentru prima dată – de către chimistul Gilbert N. Lewis – pentru a descrie cuante de lumină.
Energie și Frecvență
Planck a arătat că energia unui cuantum de lumină este legată de frecvența acesteia. El a definit o constantă, cunoscută sub numele de constanta lui Planck, care, atunci când este înmulțită cu frecvența unui cuantum de lumină, dă energia sa. Fotonii de înaltă frecvență, cum ar fi cei ai razelor X, au prin urmare mai multă energie decât cei ai frecvențelor joase, cum ar fi undele radio. Constanta lui Planck este extrem de mică; cu toate acestea, majoritatea surselor de lumină produc un număr enorm de aceste particule, astfel încât energia totală poate fi considerabilă.
Electrodinamică cuantică
Pe măsură ce teoria cuantică s-a dezvoltat, a devenit evident că forțele naturii trebuie să fie purtate într-un fel de agenți care nu ar putea călători mai repede decât lumina și că acești agenți trebuie „cuantificați”: ar putea exista doar ca multipli de unități indivizibile. Relația dintre lumină, electricitate și magnetism fusese deja clarificată în secolul al XIX-lea. La acea vreme, însă, se presupunea că lumina și alte forme de radiație electromagnetică constau din unde. În urma descoperirii fotonilor, a fost dezvoltată o nouă teorie numită electrodinamică cuantică, care a explicat modul în care fotonii transportă forța electromagnetică.
Viteza Luminii
Fotonii călătoresc întotdeauna cu viteza luminii în vid, care este de aproximativ 186,000 de mile (300,000 de kilometri) pe secundă. Conform Teoriei Relativității Speciale a lui Einstein, nu este posibil ca niciun obiect material să atingă această viteză, deoarece masa crește odată cu viteza, astfel încât este nevoie de din ce în ce mai multă energie pentru a crește viteza. Fotonii călătoresc cu viteza luminii deoarece nu au masă.
Lumina poate încetini, de exemplu, când trece prin sticlă, dar particulele individuale de lumină nu sunt încetinite. Sunt absorbiți de atomi, care câștigă temporar energie, eliberând-o rapid din nou sub forma unui alt foton cu aceeași frecvență. Acest lucru se întâmplă de multe ori când lumina trece prin sticlă (sau prin alte substanțe), iar ușoară întârziere dintre absorbția și eliberarea energiei înseamnă că particulele durează mai mult să treacă prin aer decât ar trece prin aer sau un vid. Fiecare foton, însă, călătorește întotdeauna cu viteza luminii.
Relativitatea specială arată că călătoria cu viteza apropiată de viteza luminii are niște consecințe ciudate. De exemplu, timpul încetinește în raport cu obiectele care nu se mișcă, un efect cunoscut sub numele de dilatare a timpului. Dacă un astronaut accelerează departe de Pământ până sub viteza luminii, apoi revine un an mai târziu – conform calendarului său – el poate descoperi că au trecut zece ani pe Pământ. Nu este posibil ca un astronaut să atingă viteza luminii, dar mulți oameni au speculat ce înseamnă dilatarea timpului pentru fotoni. Potrivit relativității speciale, timpul trebuie să se oprească cu totul.
Un om care se uită la Galaxia Andromeda, care se află la 2.2 milioane de ani lumină distanță, vede fotoni care, din punctul ei de vedere, au călătorit 2.2 milioane de ani lumină și au luat 2.2 milioane de ani pentru a face acest lucru. Se poate spune, însă, că din punctul de vedere al fotonilor, călătoria nu a durat deloc și că distanța parcursă este de fapt zero. Deoarece fiecare particulă de lumină este „născut” într-o stea și există până când lovește retina astronomului, s-ar putea spune, de asemenea, că, din punctul său de vedere, un foton există timp zero și, prin urmare, nu există deloc. Cu toate acestea, consensul oamenilor de știință este că pur și simplu nu are sens să ne gândim la particulele de lumină ca având un punct de vedere sau „experimentând” ceva.