Fotonii, particulele fundamentale ale câmpului electromagnetic care pătrunde universul, nu au masă. Nu au sarcină electrică. Pentru că se deplasează la limita cosmică de viteză, c, se spune că nu experimentează timpul.
Fotonii sunt cuantele de lumină care ne permit să observăm lumea din jurul nostru, aproape și de la mari distanțe.
Notă: Ce înseamnă că fotonii „nu experimentează timpul”?
Imaginează-ți că ai un ceas care ticăie și îl pui într-o rachetă. Cu cât racheta merge mai repede, cu atât ceasul ticăie mai încet față de un observator rămas pe Pământ.
Ce se întâmplă când viteza crește? Pe măsură ce un obiect se apropie de viteza luminii: procesele din interiorul lui încetinesc; ceasurile lui bat din ce în ce mai rar; pentru observatori externi, timpul „se dilată”.
Dar fotonii se deplasează exact cu viteza luminii. Nu pot merge mai încet, nu pot merge mai repede. Dacă continuăm ideea de mai sus: dacă un ceas merge tot mai încet pe măsură ce viteza crește, atunci la viteza maximă posibilă ceasul se oprește. Un foton este tocmai acest caz-limită.
Pentru noi un foton este emis de o stea, călătorește milioane sau miliarde de ani și este absorbit de un detector sau de ochiul nostru. Pentru foton (în sens fizic, nu psihologic) momentul emiterii și momentul absorbției sunt identice. Nu există un „între timp” pe traiectoria lui.
De aceea se spune că fotonul nu experimentează trecerea timpului.
Această concluzie este una ce derivă din teoria specială a relativității a lui Einstein, ecuațiile arătând că „timpul propriu” al fotonului, care are masă de repaus zero și viteza c - este zero. Pentru un obiect fără masă, timpul propriu nu există.
Nu există un cadru de referință al fotonului și nu se poate construi un ceas, din orice ar fi acesta, care să se deplaseze cu viteza luminii c.
Formularea „fotonul nu experimentează timpul” este metaforică; probabil una mai fidelă realității ar fi: „traiectoriile luminii au timp propriu nul”.
Înțelegerea și valorificarea luminii
Galileo Galilei a manipulat lumina construind un telescop și îndreptându-l spre cer. Acolo, a văzut stele, luni și fazele planetei Venus — toate acestea contribuind la revelația sa că Pământul nu era, de fapt, centrul universului. Nemulțumit să se oprească aici, și-a construit și propriul microscop, mărind cele mai mici detalii ale naturii. A deschis o lume complet nouă.
În același secol, oamenii de știință au început să acorde atenție naturii luminii însăși. În 1675, Isaac Newton a propus că lumina ar putea fi descompusă în particule mici, pe care le-a numit corpusculi. Dar un univers format din particule individuale ar conține și vaste întinderi de spațiu gol. Iar dacă spațiul ar fi gol, cum ar putea lumina să călătorească de la Lună la Pământ?
Până în secolul al XIX-lea, teoria corpusculară căzuse în dizgrație, iar mulți savanți credeau în existența eterului, un mediu omniprezent prin care s-ar propaga lumina. Ideea de continuitate și de substanțe continue devenise esențială.
Mulți oameni de știință au ajuns să creadă că lumina este, de fapt, o undă. La mijlocul secolului al XIX-lea, acest lucru s-a datorat în mare parte eforturilor fizicianului și matematicianului James Clerk Maxwell. Maxwell a arătat că lungimea de undă a fotonilor determină poziția lor în spectrul electromagnetic, care include unde dincolo de ceea ce pot vedea ochii umani, de la unde radio la raze gama.
În secolul al XX-lea, Max Planck a propus că lumina este atât particulă, cât și undă — o idee care i-a oferit perspective esențiale asupra naturii radiației termice. Albert Einstein nu a fost de acord; într-una dintre cele patru lucrări celebre din 1905, el a propus că lumina este alcătuită din pachete discrete de energie, încă un argument în favoarea teoriei particulare.
În anii 1920, experimentele lui Arthur Compton asupra fotonilor împrăștiați de electroni au putut fi explicate doar dacă fotonii aveau trăsături atât de particule, cât și de unde. După ce Louis de Broglie a propus că și alte particule, precum electronii, au proprietăți ondulatorii, această natură duală a particulelor a fost acceptată.
Notă: Efectul Compton, un rezultat experimental decisiv pentru înțelegerea naturii luminii.
Prin 1920, Arthur Compton a studiat ce se întâmplă atunci când raze X lovesc electroni aproape liberi. Conform fizicii clasice (lumina tratată strict ca undă electromagnetică), frecvența radiației împrăștiate ar fi trebuit să rămână aceeași, indiferent de unghiul de împrăștiere. Experimental, însă, Compton a observat că: fotonii împrăștiați aveau o lungime de undă mai mare (energie mai mică), iar schimbarea lungimii de undă depindea precis de unghiul de împrăștiere.
Acest comportament nu putea fi explicat prin teoria undelor clasice. Compton a arătat că rezultatele se explică perfect dacă fotonii sunt tratați ca particule care: au o energie discretă (E = h\nu); au un impuls (p = h/\lambda); se ciocnesc elastic cu electronii, asemenea unor bile microscopice.
În această interpretare, fotonul transferă o parte din impulsul și energia sa electronului, iar fotonul iese în urma coliziunii cu electronii cu o energie mai mică, deci cu lungime de undă mai mare. Formula deplasării Compton a lungimii de undă confirmă exact acest model.
Totuși, fotonii continuă să manifeste fenomene de interferență și difracție, care sunt exclusiv ondulatorii. De aici concluzia: fotonii se propagă ca unde; interacționează cu materia ca particule.
Fotonii astăzi
Înțelegerea acestei dualități undă-particulă i-a ajutat pe oamenii de știință să gândească fotonii în moduri diferite în timpul experimentelor — uneori este util să fie considerați particule, alteori unde. Această perspectivă a dus și la progrese tehnologice în dispozitive fotonice precum laserele, microscoapele și chiar calculatoarele cuantice — dezvoltări care au alimentat însăși cercetarea.
Din vremea lui Galileo, savanții au îmbunătățit considerabil primele telescoape. Astăzi, ei pot privi prin instrumente moderne precum Telescopul Spațial James Webb, care folosește o oglindă mare pentru a colecta lumină în infraroșu, permițând oamenilor de știință să observe lucruri care au avut loc acum 13,5 miliarde de ani.
Și modalitățile de a observa structuri extrem de mici au evoluat. De exemplu, în ultimii 35 de ani, cercetătorii de la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) al SLAC au folosit fascicule intense de raze X pentru a observa de la celule umane la celule solare, la nivel molecular. Iar la Linac Coherent Light Source al SLAC, această capacitate în domeniul razelor X este dusă și mai departe, permițând cercetătorilor să urmărească chiar și un singur atom în timpul unei reacții chimice. Astfel, nu doar că putem vedea detaliile Lunii și ale planetei Venus, dar putem urmări reacțiile chimice ca într-un film.
Fotonii l-au ajutat și pe Uwe Bergmann, profesor la Universitatea din Wisconsin–Madison și cadru didactic asociat la SLAC, să-și extindă cercetările din fizică spre domeniul umanist. Bergmann a folosit sursele de lumină ale SLAC pentru a dezvălui texte antice care fuseseră șterse și suprascrise. În 2005, a utilizat SSRL pentru a scoate la iveală textul unei copii a teoriilor matematice ale lui Arhimede. Pergamentul fusese răzuit și reutilizat ca o carte de rugăciuni în secolul al XII-lea, dar razele X puternice au evidențiat fierul din cerneala originală, permițând cercetătorilor să citească pentru prima dată textul inițial. De atunci, el a folosit tehnici similare de imagistică pentru a dezvălui chimia urmelor lăsate în fosile, părți ale unei opere care fuseseră șterse de compozitorul Luigi Cherubini și pentru a înțelege elementele utilizate în primele tipărituri coreene realizate cu litere mobile.
Fotonii au fost, de asemenea, esențiali pentru înțelegerea și dezvoltarea tehnologiilor cuantice. Datorită dualității lor undă-particulă, ei sunt polarizați — fie într-o stare de rotație în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers — și pot fi folosiți asemenea biților de calculator pentru a transporta informație.
Adevărata lor putere provine însă din inseparabilitatea cuantică — un fenomen care permite două particule să mențină o stare cuantică comună, precum polarizarea fotonilor. Din anii '70 până în anii '90, oamenii de știință au arătat cum pot fi fotonii cuplați cuantic, deschizând calea pentru actuala revoluție a științei informației cuantice.
Fotonii sunt printre cele mai abundente particule din univers, iar oamenii au o istorie îndelungată de a-i studia și de a-i valorifica pentru a examina totul, de la obiecte cosmice la particule fundamentale.
> Citește și: Fotonii sunt printre cele mai paradoxale lucruri din univers
Textul are la bază Photons light the way publicat în Symmetry.
