En foton är en typ av elementarpartikel som utgör grundenheten för elektromagnetisk strålning, som inkluderar radiovågor, infrarött, synligt ljus, ultraviolett, röntgenstrålar och gammastrålar. Fotoner har ingen massa, ingen elektrisk laddning och färdas med ljusets hastighet. Till skillnad från vissa partiklar, som protoner och neutroner, tros de inte bestå av mindre komponenter. De tillhör en klass av partiklar som är ansvariga för naturens grundläggande krafter och bär den elektromagnetiska kraften. Enligt teorin om kvantelektrodynamik kan hur elektriskt laddade partiklar beter sig mot varandra beskrivas i termer av fotoner.
Experiment som utfördes på 19-talet tycktes bevisa att ljus bestod av vågor. I början av 20-talet visade dock andra experiment att den bestod av partiklar. Även om det verkar motsägelsefullt, beter sig ljus och andra former av elektromagnetisk strålning som båda former. Fotoner är partiklar av ljus, men de har också vågliknande egenskaper, såsom våglängd och frekvens.
Fotoner och materia
Materia kan interagera med ljuspartiklar på ett antal sätt. En elektron i en atom, till exempel, kan absorbera en foton, vilket får den att hoppa till en högre energinivå. Med tiden kan elektronen återgå till en lägre energinivå och avge den extra energin som en foton. Ögat kan upptäcka ljus eftersom vissa molekyler i näthinnan absorberar energi från fotoner inom det synliga ljusets frekvensområde. Denna energi omvandlas till elektriska impulser som färdas längs synnerven in i hjärnan.
I vissa fall kan elektroner absorbera relativt högenergipartiklar av ultraviolett ljus och sedan avge energin som fotoner med längre våglängder av synligt ljus, ett fenomen som kallas fluorescens. Molekyler kan absorbera energi vid infraröda frekvenser, vilket får dem att röra sig mer, vilket resulterar i en ökning av temperaturen; det är därför föremål kan värmas upp av solljus eller av en elektrisk värmare. Mycket högenergifotoner, som röntgenstrålar och gammastrålar, kan ha en destruktiv effekt på materia. De har tillräckligt med energi för att ta bort elektroner från atomer, bilda positivt laddade joner och bryta kemiska bindningar. Dessa effekter orsakar kemiska förändringar som kan vara mycket skadliga för levande organismer.
Discovery
Konceptet och upptäckten av fotonen är nära knutna till utvecklingen av kvantteorin. Omkring 1900 hittade den teoretiske fysikern Max Planck en lösning på ett problem som hade bekymrat forskare under en tid, som involverade frekvenserna av elektromagnetisk strålning som sänds ut av ett föremål vid olika temperaturer. Han föreslog att energi kom i små, odelbara enheter, som han kallade kvanta. Albert Einsteins arbete med den fotoelektriska effekten 1905 gav starka experimentella bevis för att kvanta var verkliga. Det var dock inte förrän 1926 som termen ”foton” först användes – av kemisten Gilbert N. Lewis – för att beskriva ljuskvantiteter.
Energi och frekvens
Planck visade hur energin i ett ljuskvantum är relaterat till dess frekvens. Han definierade en konstant, känd som Plancks konstant, som, när den multipliceras med frekvensen av ett ljuskvantum, ger dess energi. Högfrekventa fotoner, som de från röntgenstrålar, har därför mer energi än de med låga frekvenser, som radiovågor. Plancks konstant är extremt liten; dock producerar de flesta ljuskällor enorma mängder av dessa partiklar, så den totala energin kan vara avsevärd.
Kvantelektrodynamik
När kvantteorin utvecklades blev det uppenbart att naturens krafter måste bäras på något sätt av agenter som inte kunde färdas snabbare än ljuset, och att dessa agenter måste ”kvantiseras”: de kunde bara existera som multiplar av odelbara enheter. Relationen mellan ljus, elektricitet och magnetism hade klargjorts redan på 19-talet. På den tiden antogs dock ljus och andra former av elektromagnetisk strålning bestå av vågor. Efter upptäckten av fotoner utvecklades en ny teori som kallas kvantelektrodynamik, som förklarade hur fotoner bär den elektromagnetiska kraften.
Ljusets hastighet
Fotoner färdas alltid med ljusets hastighet i ett vakuum, vilket är cirka 186,000 300,000 miles (XNUMX XNUMX kilometer) per sekund. Enligt Einsteins speciella relativitetsteori är det inte möjligt för något materiellt föremål att nå denna hastighet, eftersom massan ökar med hastigheten, så att det krävs mer och mer energi för att öka hastigheten. Fotoner färdas med ljusets hastighet eftersom de inte har någon massa.
Ljus kan sakta ner, till exempel när det passerar genom glas, men enskilda ljuspartiklar bromsas inte. De absorberas av atomer, som tillfälligt får energi, snabbt släpper ut den igen i form av en annan foton med samma frekvens. Detta händer många gånger när ljus passerar genom glas (eller några andra ämnen), och den lilla fördröjningen mellan absorption och frigöring av energi gör att partiklarna tar längre tid att passera än de skulle passera genom luft eller ett vakuum. Varje foton färdas dock alltid med ljusets hastighet.
Särskild relativitetsteori visar att att resa i nära ljushastighet har en del konstiga konsekvenser. Till exempel saktar tiden ner i förhållande till föremål som inte rör sig, en effekt som kallas tidsutvidgning. Om en astronaut accelererar bort från jorden till strax under ljusets hastighet och sedan återvänder ett år senare – enligt hans kalender – kan han upptäcka att tio år har gått på jorden. Det är inte möjligt för en astronaut att nå ljusets hastighet, men många har spekulerat i vad tidsutvidgning betyder för fotoner. Enligt den speciella relativitetsteorien måste tiden stanna helt.
En människa som tittar på Andromedagalaxen, som är 2.2 miljoner ljusår bort, ser fotoner som – från hennes synvinkel – har rest 2.2 miljoner ljusår och tagit 2.2 miljoner år att göra det. Man kan dock säga att ur fotonernas synvinkel har resan inte tagit någon tid alls och att den tillryggalagda sträckan faktiskt är noll. Eftersom varje ljuspartikel ”föds” i en stjärna och existerar tills den träffar astronomens näthinna, kan man också säga att ur sin egen synvinkel existerar en foton för noll tid, och därför inte existerar alls. Konsensus bland forskare är dock att det helt enkelt inte är meningsfullt att tänka på ljuspartiklar som att de har en synvinkel eller ”upplever” någonting.