Читать книгу Как рождается гравитация - Геннадий Ершов - Страница 12

1.9.1. Фотон

Рис. 1.3. Энергия фотона и возбуждение атома.

Ну причем тут фотон и гравитация?

С таким негодующим вопросом набросится на меня боевая рать физиков, а глядя на эпиграф, и лирики тоже.

С окончательными выводами не спешим, начинаем исследовать эту удивительную и многогранную частицу-волну – фотон.

Сегодня мы понимаем, что все окружающие нас излучения можно разделить на составляющие их частицы. К примеру, всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов, Ньютон их называл корпускулами. Фотону, как квантовой частице, свойственен корпускулярно-волновой дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, а в других – как электромагнитная волна.

А если мы углубимся в познания современной квантовой физики, то обнаружим, что фотон по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.

Фотон, с одной стороны, демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции в масштабах, сравнимых с длиной волны самого фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. С другой стороны, эксперименты показывают, что фотон – не короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей. Фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны, например, атомными ядрами или электронами.

Свое название фотон получил от греческого слова φῶς, «phōs» (свет). Понятие было введено химиком Гилбертом Льюисом в 1926 г. В его теории фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Теория Льюиса не принесла лавров ее создателю, так как находилась в противоречии с экспериментами, но термин фотон физикам понравился и вошел в научную литературу.

Вокруг данной волны (частицы) на протяжении XX в. кипели такие страсти, что мне невольно подумалось, что за этими страстями был потерян один из важнейших признаков, который должен отождествляется с ней как с переносчиком гравитационного взаимодействия.

Забегая вперед, скажу, что еще в 1960 г. американскими учеными Паундом и Ребке был выполнен тончайший эксперимент, в котором было показано: «фотон (квант электромагнитной энергии) обладает также гравитационной массой, которая равна инертной массе m=hv/c²» [13].

1.9.2. Фотон – транспорт гравитации

В нашем случае, совсем не важно, чего в фотоне больше – частицы или волны, главное – он переносит энергию. Энергия фотона е зависит от частоты излучения ν.

где h=6,626·10^—34 Дж·с – постоянная Планка.

Свет представляет собой распространение в пространстве фотонов, которые ведут себя как поток особых частиц.

Фотон обладает массой и импульсом. Наличие у фотона массы m вытекает из общей взаимосвязи между энергией и массой, введенной в 1900 г. французским математиком Анри Пуанкаре.

с – скорость света в вакууме.

m=е/c²

Для фотона е=e_p=hν, откуда масса фотона равна:

Фотон представляет собой элементарную частицу, но не имеющую массы покоя m₀. Массу фотона следует считать полевой массой. Это означает, что свет обладает массой, связанной с электромагнитным полем световой волны.

Помимо энергии и массы фотон обладает импульсом р_p [14, 15]. Импульс фотона был обнаружен экспериментально в 1927 г. А. Комптоном, который за эту работу был удостоен Нобелевской премии по физике. Связь энергии фотона с его импульсом вытекает из общей формулы теории относительности.

Для фотона m₀=0, отсюда импульс равен:

m_p – масса фотона.

Фотон, подобно любой движущейся частице или телу, обладает энергией, массой и импульсом. Вот эти три важные физические величины можно назвать корпускулярными характеристиками фотона

Подобно любой вещественной частице, фотон способен переносить энергию. Это очень важно на данном этапе рассуждения, и моя попытка присвоения фотону «чужих», не родственных ему свойств переноса сил тяготения должна увенчаться успехом.

Далее двигаемся к гравитации.