Fotonul - particula fundamentală a luminii este pe cât obișnuită aparent, pe atât de plină de surprize.
Câmp cuantic (reprezentare grafică). Vibrația câmpului, când atinge o anume energie, devine ceea ce numim „particulă”
Ceea ce fizicienii numesc fotoni, alții ar putea numi pur și simplu lumină. Cuante de lumină, fotonii sunt cele mai mici pachete posibile de energie electromagnetică. Dacă citești acest articol pe un ecran sau o pagină de carte, fluxurile de fotoni transportă imaginile cuvintelor către ochii tăi.
În știință, fotonii sunt folosiți pentru mult mai mult decât simpla iluminare.
„Sunt omniprezenți”, spune Richard Ruiz, cercetător asociat la Institutul de Fizică Nucleară din Cracovia, Polonia, și teoretician care caută noi fenomene fizice la Marele Accelerator de Hadroni. „Fotonii sunt peste tot în fizica particulelor, așa că aproape că uiți de ei.”
Fotonul a alimentat secole de descoperiri și rămâne un instrument important și astăzi.
De la undă, la particulă, la boson
Oamenii au investigat natura luminii din cele mai vechi timpuri, cu primele perspective provenind de la filosofi și savanți din Egipt, Mesopotamia, India și Grecia. Între sfârșitul secolului al XVII-lea și începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință au oscilat între două întrebări esențiale: se comportă lumina ca o particulă sau ca o undă?
În 1690, Christiaan Huygens a publicat Traité de la Lumière, tratatul său despre lumină. În el, descria lumina ca fiind formată din unde care se mișcau prin eter, un mediu despre care se credea că permează spațiul.
Isaac Newton a declarat în cartea sa din 1704, Opticks, că nu este de acord. Când lumina se reflectă de pe o suprafață, acționează ca o minge care ricoșează; unghiul la care se apropie de suprafață este egal cu unghiul la care se reflectă. Newton a argumentat că acest fenomen, printre altele, putea fi explicat dacă lumina era formată din particule, pe care le-a numit „corpusculi.”
Un prismă de sticlă refractă un fascicul de lumină albă într-un curcubeu de culori. Newton a observat că, atunci când lumina este refractată din nou printr-o a doua prismă, nu se mai divide; culorile curcubeului rămân aceleași.
Newton a spus că acest lucru putea fi explicat presupunând că lumina albă era formată din mulți corpusculi de dimensiuni diferite. Lumina roșie era formată din cei mai mari corpusculi; lumina violetă, din cei mai mici. Newton a afirmat că dimensiunile lor diferite determinau ca acești corpusculi să fie atrași prin sticlă la viteze diferite, accelerate. Aceasta i-a separat, producând curcubeul de culori care nu mai putea fi descompus de o a doua prismă.
Modelul corpuscular al lui Newton avea însă un dezavantaj semnificativ.
Când lumina trece printr-o gaură mică, se răspândește la fel ca undele pe apă. Modelul corpuscular al lui Newton nu putea explica acest comportament, dar modelul de undă al lui Huygens putea.
Cu toate acestea, oamenii de știință erau înclinați să-l ignore pe Huygens și să-l asculte pe Newton – la urma urmei, el a scris Principia, una dintre cele mai importante cărți din istoria științei.
Dar modelul lui Huygens a primit un sprijin în 1801, când Thomas Young a efectuat experimentul cu două fante. În experiment, Young a trimis un fascicul de lumină prin două găuri mici, una lângă cealaltă, și a descoperit că lumina care trecea prin ele forma un model specific. La intervale regulate, undele intersectate emanate din cele două găuri interferau fie constructiv – combinându-se pentru a produce lumină mai strălucitoare – fie destructiv – anulându-se reciproc. Exact ca undele.
Aproximativ cinci decenii mai târziu, un alt experiment a pus modelul lui Huygens definitiv în frunte.
În 1850, Léon Foucalt a comparat viteza luminii prin aer cu viteza luminii prin apă și a descoperit că, spre deosebire de ce credea Newton, lumina nu se mișca mai repede în mediul mai dens. În schimb, la fel ca o undă, încetinea.
Unsprezece ani mai târziu, James Clerk Maxwell a publicat On Physical Lines of Force, în care a prezis existența undelor electromagnetice. Maxwell a remarcat similitudinea lor cu undele de lumină, ceea ce l-a condus la concluzia că cele două erau unul și același lucru.
Părea că modelul de undă al lui Huygens câștigase. Dar în 1900, Max Planck a venit cu o idee care avea să declanșeze un nou concept al luminii.
Planck a explicat câteva comportamente enigmatice ale radiației descriind energia undelor electromagnetice ca fiind împărțită în pachete individuale.
În 1905, Albert Einstein a extins conceptul de pachete de energie al lui Planck și a pus capăt dezbaterii corpuscul-versus-undă – declarând-o egalitate.
Așa cum a explicat Einstein, lumina se comportă atât ca particulă, cât și ca undă, iar energia fiecărei particule de lumină corespunde frecvenței undei.
Dovezile sale au provenit din studiul efectului fotoelectric – modul în care lumina dislocă electronii din metal. Dacă lumina ar călători doar sub formă de undă continuă, atunci aplicarea luminii asupra unui metal pentru suficient de mult timp ar disloca întotdeauna un electron, deoarece energia pe care lumina o transferă electronului s-ar acumula în timp.
Dar efectul fotoelectric nu funcționează așa. În 1902, Philipp Lenard observase că doar lumina peste o anumită energie – sau undele de lumină cu o anumită frecvență – putea desprinde un electron din metal. Și părea să o facă instantaneu, la contact.
În acest caz, lumina acționa mai degrabă ca o particulă, un pachet individual de energie.
Încă convins de modelul de undă al luminii, Robert Millikan a încercat să infirme ipoteza lui Einstein. Millikan a efectuat măsurători atente ale relației dintre lumină și electronii implicați în efectul fotoelectric. Spre surprinderea sa, a confirmat fiecare dintre predicțiile lui Einstein.
Studiul efectului fotoelectric i-a adus lui Einstein singurul său Premiu Nobel, în 1921.
În 1923, Arthur Compton a oferit un sprijin suplimentar modelului de lumină al lui Einstein. Compton a direcționat lumină de înaltă energie asupra unor materiale și a prezis cu succes unghiurile la care electronii eliberați de coliziuni s-ar dispersa. A făcut acest lucru presupunând că lumina ar acționa ca niște bile de biliard.
Chimistul Gilbert Lewis a venit cu un nume pentru aceste bile de biliard. Într-o scrisoare din 1926 adresată revistei Nature, le-a numit „fotoni.”
Modul în care oamenii de știință gândesc despre fotoni a continuat să evolueze în anii recenți. De exemplu, fotonul este acum cunoscut ca un „boson gauge”
Bosonii gauge sunt particule purtătoare de forță care permit particulelor de materie să interacționeze prin intermediuil forțelor fundamentale. De exemplu, atomii rămân unitari (nu se dezintegrează) deoarece protonii încărcați pozitiv din nucleele lor schimbă fotoni cu electronii încărcați negativ care îi orbitează – o interacțiune prin forța electromagnetică.
În al doilea rând, fotonul este acum considerat atât o particulă, o undă, cât și o excitație – un fel de undă – într-un câmp cuantic.
Un câmp cuantic, cum ar fi câmpul electromagnetic, este un fel de energie și potențial răspândite în tot spațiul. Fizicienii consideră fiecare particulă ca o vibrație a unui câmp cuantic.
„Îmi place să mă gândesc la un câmp cuantic ca la o suprafață calmă a unui iaz, unde nu vezi nimic,” spune Ruiz. „Apoi arunci o pietricică pe suprafață, iar apa se ridică puțin. Asta e o particulă.”
Fotonii ca instrument
Undele radio și microundele; lumina infraroșie și ultraviolete; razele X și razele gama: toate acestea sunt forme de lumină și toate sunt formate din fotoni.
Fotonii își fac simțită prezența în jurul tău. Ei călătoresc prin fibre optice conectate pentru a transmite semnale de Internet, televiziune prin cablu și telefonie mobilă. Sunt folosiți în reciclarea plasticului, pentru a descompune obiectele în blocuri mai mici care pot fi utilizate în noi materiale. De asemenea, sunt utilizați în spitale, în fascicule care vizează și distrug țesuturile canceroase.
Și sunt esențiali pentru tot felul de cercetări științifice.
Fotonii sunt indispensabili în cosmologie: studiul trecutului, prezentului și viitorului universului. Oamenii de știință studiază stelele analizând radiația electromagnetică pe care o emit, cum ar fi undele radio și lumina vizibilă. Astronomii dezvoltă hărți ale galaxiei noastre și ale vecinilor săi prin imagistica cerului în microunde. Ei detectează praful cosmic care le blochează vederea către stelele îndepărtate prin detectarea luminii infraroșii emise de acesta.
Oamenii de știință colectează semnale puternice, sub formă de radiații ultraviolete, raze X și raze gama emise de obiecte energetice din galaxia noastră și dincolo de ea. Și detectează semnale slabe, cum ar fi modelul difuz de lumină cunoscut sub numele de radiația cosmică de fond, care servește ca o înregistrare a stării universului la câteva secunde după Big Bang.
Fotonii rămân, de asemenea, importanți în fizică.
În 2012, oamenii de știință de la Marele Accelerator de Hadroni de la Cern, Elveția, au descoperit bosonul Higgs studiind descompunerea acestuia în perechi de fotoni.
Fiziciana Donna Strickland a câștigat o parte din Premiul Nobel pentru fizică în 2018 pentru rezultatele ei în dezvoltarea de impulsuri laser ultracurte și de mare intensitate, formate din lumină de înaltă energie extrem de focalizată.
Mașinile numite „surse de lumină” creează fascicule intense de raze X, lumină ultravioletă și lumină infraroșie pentru a ajuta oamenii de știință să descompună pașii celor mai rapide procese chimice și să examineze materialele în detaliu molecular.
„De-a lungul spectrului electromagnetic, fotonii ne pot oferi atât de multe informații despre lume”, spune Jennifer Dionne, profesor asociat de știința și ingineria materialelor la Universitatea Stanford.
Dionne desfășoară cercetări în domeniul nanofotonicii, un subdomeniu al fizicii în care oamenii de știință controlează lumina și studiază interacțiunile ei cu moleculele și structurile de dimensiuni nanometrice. Printre alte proiecte, laboratorul ei folosește fotonii pentru a crește eficiența catalizatorilor, substanțe utilizate pentru a iniția reacții chimice de înaltă eficiență.
„Lumina, fotonii, sunt un reactiv în chimie la care oamenii nu se gândesc întotdeauna”, spune Dionne. „Oamenii se gândesc adesea la adăugarea de noi substanțe chimice pentru a permite o anumită reacție sau la controlul temperaturii sau al pH-ului unei soluții. Lumina poate aduce o dimensiune complet nouă și un set de instrumente cu totul nou.”
Unii fizicieni caută chiar noi tipuri de fotoni.
„Fotonii întunecați” teoretici ar putea servi ca un nou tip de bosoni gauge, mediind interacțiunile dintre particulele materiei întunecate.
„Fotonii sunt mereu plini de surprize”, spune Dionne.
→ Citește și: Mecanismul Higgs. Cum obțin particulele elementare masa?
Traducere și adaptare după Simmetry
