Общие сведения о фотоне
Фотоном называют элементарную частицу, которая представляет собой отдельный квант света. Фотон имеет электромагнитную природу. Его нередко изображают в виде поперечных волн, являющихся переносчиком взаимодействия электромагнитного типа. По современным научным представлениям, фотон – это фундаментальная частица, которая не имеет размеров и определенной структуры.
Существовать фотон способен лишь в состоянии движения, перемещаясь в вакууме со скоростью света. Электрический заряд фотона принимают равным нулю. Считается, что эта частица может находиться в двух спиновых состояниях. В классической электродинамике фотон описывается как электромагнитная волна, которая имеет правую или левую круговую поляризацию. Позиция квантовой механики такова: фотон обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Иными словами, он способен проявлять одновременно свойства волны и частицы.
В квантовой электродинамике фотон описывается как калибровочный бозон, который обеспечивает взаимодействие между частицами; фотоны – переносчики электромагнитного поля.
Фотон считается первой по распространенности частицей в известной части Вселенной. На один нуклон в среднем приходится не менее 20 млрд фотонов.
Масса фотона
Фотон обладает энергией. А энергия, как известно, эквивалентна массе. Так обладает ли эта частица массой? Принято считать, что фотон – безмассовая частица.
Когда частица не движется, ее так называемая релятивистская масса минимальна и называется массой покоя. Она одинакова для любых частиц одного и того же вида. Массу покоя электронов, протонов, нейтронов можно отыскать в справочных пособиях. Однако по мере увеличения скорости частицы ее релятивистская масса начинает расти.
В квантовой механике свет рассматривается в качестве «частиц», то есть фотонов. Их невозможно остановить. По этой причине понятие массы покоя к фотонам никак не применимо. Следовательно, масса покоя такой частицы принимается равной нулю. Если бы дело обстояло иначе, то квантовая электродинамика немедленно столкнулась бы с проблемой: невозможно стало бы обеспечить гарантию сохранения заряда, ведь это условие выполняется только благодаря отсутствию у фотона массы покоя.
Если предположить, что масса покоя частицы света отлична от нуля, то придется мириться с нарушением закона обратных квадратов для силы Кулона, известного из электростатики. Одновременно изменилось бы поведение статичного магнитного поля. Иначе говоря, вся современная физика вошла бы в неразрешимое противоречие с опытными данными.
