Світла матерія
Фотони елементарні частинки, відповідальні за перенесення енергії. Вся енергія, що надходить на Землю від Сонця і самих далеких зірок, доставлена фотонами. Фотони також здатні переносити теплову енергію від гарячих тіл до холодних.
Денне світло, який дозволяє нам бачити навколишній світ, це не що інше, як нескінченні потоки фотонів. Фотони найпоширеніші частинки у всесвіті. У той же час, фотони одні з найбільш загадкових і навіть парадоксальних частинок.
По-перше, вони мають корпускулярно-хвильовим дуалізмом – тобто одночасно є частинками і хвилями. Такого не дозволяють собі ніякі інші частинки. По-друге, вони віртуальні, тобто не мають маси спокою.
Віртуальних частинок у квантовій фізиці досить багато, але зі всіх віртуальних частинок тільки фотони можуть існувати як завгодно довго, переміщатися як завгодно далеко і при цьому вони ще примудряються переносити енергію. По-третє, фотони можна попарно пов’язувати або заплутувати – тобто якщо спін одного фотона з пов’язаної пари прийме значення мінус 1, то спін другого миттєво прийме значення плюс 1, як би далеко один від одного не перебували в цей момент два поплутаних фотона. Спін це квантове властивість будь-яких елементарних частинок, що характеризує їх здатність приймати симетричні (не відрізнити один від одного) позиції в просторі – тобто обертатися або крутитися, приблизно так, як дівчата крутяться перед дзеркалом.
Напевно, можна відшукати і інші екзотичні властивості фотонів, але і перерахованих вище цілком достатньо, щоб замислитися – а чи не занадто складно влаштовані елементарні частинки.Може бути, розробники квантової теорії поля, захопившись красою математичного апарату квантової електродинаміки, трохи перемудрили з калібровочними полями і Комптоновскими ефектами. Нова теорія квантової електродинаміки потрібна для опису електромагнітних взаємодій елементарних частинок з однієї-єдиної причини.
Класична електродинаміка, яка вважає світло однорідним ізотропним електромагнітним випромінюванням, не змогла пояснити такі важливі процеси, що спостерігаються у практичних експериментах, що випромінювання і поглинання фотонів атомами, теплове випромінювання нагрітих тіл, взаємодія фотонів один з одним і з іншими елементарними частинками. А найголовніше, добре вивчений фотосинтез – це основа основ всієї органічної хімії, біології, ботаніки, а за великим рахунком всього живого на Землі, ну ні як не вписувався в теорію класичної електродинаміки. Ось тоді то і був придуманий цей хитрий компроміс, згідно з яким фотон з одного боку це електромагнітна хвиля, а з іншого – частинка, що переносить квант енергії, але не має маси спокою.
Компроміси в науці – не завжди добру справу!Для того щоб надійно і математично строго пояснити фотосинтез А. Ейнштейн використав термін – світловий квант або порція світла, що поглинається в процесі фотосинтезу і випромінюється при теплообміні. Тобто, по суті, запропонував вважати світло потоком частинок – корпускул, яким трохи пізніше з подачі американського вченого Р.
Льюса було дано назву фотони. На момент публікації робіт про корпускулярності світла, нагадаю, це було на початку 20-го століття, авторитет Максвелла серед вчених був незаперечним, а його теорія електромагнітної природи світла вважалася єдино вірною. Думаю, саме з цієї причини було запропоновано компромісне рішення у вигляді корпускулярно-хвильового дуалізму світла, що забороняє мати таким частинкам масу в стані спокою.
Тобто молодому Ейнштейну елементарно не вистачило сміливості відстоювати свою ідею перед маститими науковими авторитетами того часу. Це моє припущення. Як було насправді на початку 20-го століття нам вже важко судити, але сьогодні, на початку 21-го, ми маємо охороняється, вже авторитетом Ейнштейна, «священну корову» у вигляді квантової електродинаміки, в якій впевнено влаштувалася елементарна віртуальна частинка – фотон.
Ця безмассовая частинка, що переносить енергію, одночасно є поперечною електромагнітною хвилею, що поширюється у вакуумі. Те, що квантова електродинаміка прекрасно працює поки оперує світлом як потоком частинок і починає збоїти всякий раз, коли намагається врахувати хвильову природу фотонів, вважається об’єктивною неминучістю. Мовляв, природа елементарних частинок за визначенням дуже складна і тут вже нічого не поробиш.
Так влаштований світ елементарних частинок. Важко погодитися з таким фаталізмом з точки зору звичайного здорового смисли. Тому, давайте спробуємо знайти більш прості пояснення унікальним здібностям фотонів.
Фізичний енциклопедичний словник стверджує, що”енергія-це загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає з нічого і не зникає, вона може лише переходити з однієї форми в іншу. Поняття енергія зв’язує воєдино всі явища природи.
” Начебто все гранично ясно і зрозуміло. При взаємодії будь-яких матеріальних тіл, енергія може переходити з одного стану в інший, але не може виникнути з нізвідки і зникнути в нікуди. Але як тоді нематеріальний фотон переносить енергію від одного матеріального об’єкта до іншого? Наприклад, від Сонця до Землі.
Парадокс! Давайте на хвилину уявимо, що фотон має масу спокою. Що принципово змінить таке допущення в сучасній квантовій фізиці? По-перше, фотон відразу позбудеться свого дуалізму. Масивна частинка ні за яких обставин не може бути хвилею.
По-друге, стане не потрібним теоретичне обґрунтування ефекту Комптона. Частинки, на відміну від хвилі, мають право змінювати свою частоту при взаємодії один з одним. Чи зможе пережити таку трансформацію фотонів квантова електродинаміка? Легко! З такого припущення випливає дуже простий логічний висновок.
Матеріальні фотони, банально, повинні десь розміщуватися. Тобто якісь «масивні» елементарні частинки, такі як протони, нейтрони, електрони повинні перестати бути елементарними і включити в себе більш елементарні фотони. Яка з перерахованих елементарних (неподільних) частинок здатна на це? З експериментальної фізики добре відомо, що в результаті так званих β-розпадів нейтрони здатні перетворюватися в протони, а протони в нейтрони.
Такі перетворення завжди супроводжуються випромінюванням електронів або позитронів. Електрони і позитрони це електричні антиподи, що володіють однаковою масою, але різнойменними зарядами. Такі перетворення побічно вказують на те, що нуклони не елементарні частки, а складові і до складу нейтронів і протонів повинні входити електрони і позитрони.
Тому зупинимо свій вибір на більш дрібних «елементарні» частинки. Нехай електрони і позитрони будуть вмістилищем фотонів, які повинні випромінюватися при виділенні енергії й поглинатися при її споживанні. Причому, такі фотони просто зобов’язані мати масу спокою, тому що тільки завдяки цьому вони набувають здатність переносити енергію від одного матеріального об’єкта до будь-якого іншого, не порушуючи фундаментальних законів природи.
Але якщо масивний фотон переносить енергію між матеріальними об’єктами, то він обов’язково повинен змінювати масу цих матеріальних об’єктів. Нехай це вам здасться випадковим збігом, але в сучасній ядерній фізиці описаний якийсь ефект під назвою «дефект мас». Цей ефект полягає в тому, що допускає перетворення маси в енергію при термоядерному синтезі та інших взаємодіях таких «елементарних» часток як нуклони.
Заснований він (ефект дефекту мас) на експериментальних даних, які підтверджують, що при взаємодії нуклонів один з одним у них спостерігається незначна зміна маси. Наприклад, маса нуклонів дейтерію і водню до злиття в ядро гелію-3 більше маси нуклонів ядра гелію-3. Такі дані підтверджують правоту нашого припущення про наявність маси у фотонів.
Тобто нуклони і інші елементарні частинки, обмінюючись один з одним фотонами, не тільки випромінюють чи поглинають енергію, але й передають один одному частину своєї маси. Але якщо все йде саме так, і фотони дійсно володіють власною масою спокою, то вони повинні радикально змінити масу спостережуваній матерії у всесвіті. Адже фотони, як відомо, найпоширеніші частинки.
І наша всесвіт, в такому випадку, буквально переповнена цієї світлої матерією!
