https://fremont.ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/cs.html
Málo konceptů neslo v průběhu lidské historie tolik symbolické váhy jako světlo. Dlouho předtím, než jsme dokázali měřit jeho vlnovou délku nebo vypočítat jeho energii, lidé tušili, že světlo je více než fyzikální jev – bylo metaforou pro samotný život.
V hebrejské Bibli začíná stvoření slovy: „Ať je světlo.“ V Koránu je Bůh popsán jako „Světlo nebes a země.“ V buddhismu je osvícení stavem probuzení k pravdě. Napříč tradicemi je světlo projevem božství, čistoty a moudrosti. Naopak tma představuje nevědomost, zlo nebo chaos.
Naše jazyky tyto metafory zachovávají. „Vrhneme světlo“ na problém, „uvidíme světlo“, když pochopíme, a nazýváme někoho „brilantním“, když inspiruje. Vědění je světlo, které rozptyluje stíny nevědomosti.
Dlouho před současnými náboženstvími oslavovaly kultury po celém světě zimní slunovrat – nejkratší den, kdy tma dosahuje vrcholu a světlo začíná svůj návrat. Pro rané společnosti, závislé na slunci pro teplo a úrodu, byl slunovrat zlomovým bodem přežití a naděje. Ohně, hostiny a rituály oslavovaly znovuzrození světla. Tato tradice byla později začleněna do křesťanství jako Vánoce, přesto hlubší symbolika přetrvává: obnova života skrze návrat slunce. I dnes oslavy slunovratu připomínají ústřední místo světla v lidské kultuře.
Světlo tedy pro nás vždy bylo více než jen fotony: je to energie, informace a život – v materiálním i duchovním smyslu.
Po tisíciletí života s jeho metaforami se lidstvo obrátilo k vědě a zeptalo se: Z čeho je světlo skutečně tvořeno?
Foton lze považovat za mikroskopickou anténu nebo rezonanční obvod složený z indukčnosti a kapacity – jen bez fyzických částí. Existuje a šíří se tím, že neustále přeměňuje elektrickou energii na magnetickou a zpět, samoobslužnou oscilací, která umožňuje světlu pohybovat se prostorem.
Foton však není omezen na úzké pásmo barev viditelných našima očima. Rozprostírá se v obrovském rozsahu, od rádiových vln delších než mrakodrapy po gama paprsky menší než atomové jádro. Napříč tímto spektrem formují fotony vesmír, podporují život a pohánějí lidskou civilizaci.
Každý foton lze popsat třemi propojenými způsoby:
Tyto vlastnosti jsou propojeny rychlostí světla: c = λν. Delší vlnové délky znamenají nižší frekvenci a nižší energii, zatímco kratší vlnové délky přinášejí vyšší frekvenci a vyšší energii. Rozsah je ohromující:
Toto spektrum ukazuje, jak se stejné kvantum – foton – projevuje různě na různých škálách.
Různé fyzikální procesy dávají vznik různým oblastem spektra:
Tímto způsobem vznikají fotony z antén, atomů i jader, spojujíce fyzikální vesmír.
Protože energie fotonu je úměrná frekvenci (E = hν), mají fotony rádiových frekvencí extrémně málo energie – trilionykrát méně než fotony viditelného světla nebo gama záření. Výsledkem je, že antény nevysílají jeden foton najednou způsobem, který bychom snadno detekovali. Místo toho uvolňují obrovské množství fotonů současně.
Jedna vysílací anténa může vysílat řádově 10²⁰ až 10²⁵ rádiových fotonů za sekundu. Pro jakýkoli přijímač – nebo pro naši intuici – to vypadá jako hladká, nepřetržitá vlna. Kvantování je stále přítomné, ale je skryto pod obrovským množstvím.
Naopak fotony s vyšší energií, jako ultrafialové, rentgenové a gama paprsky, nesou dost energie na to, aby byly detekovány jednotlivě. Jejich částicová povaha je zřejmá, což je důvod, proč Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu zaměřilo na ultrafialové světlo, nikoli na rádio.
Tento rozdíl v percepci je jedním z důvodů, proč debata o vlně a částici trvala tak dlouho.
Naše chápání fotonů se vyvíjelo během staletí debat a objevů.
Feynman neobjevil fotony, ale poskytl nám nejúplnější a nejpřesnější pochopení jich, sjednotiv staletí protichůdných teorií do jednoho koherentního rámce.
Kromě frekvence nesou fotony další vlastnost: polarizaci.
Protože elektrické pole fotonu musí vždy oscilovat kolmo na směr jeho pohybu, může se orientovat v libovolném úhlu v této příčné rovině. Představte si foton pohybující se dopředu: jeho pole může kmitat vertikálně, horizontálně nebo kdekoliv mezi tím. To je polarizace.
Jedním z nejznámějších důsledků polarizace je oslnění. Když se světlo odráží od plochého, horizontálního povrchu, jako je voda, sklo nebo mokrá vozovka, odražené fotony nejsou orientovány náhodně. Fyzika odrazu upřednostňuje horizontálně polarizované světlo, protože elektrony na povrchu efektivněji znovu vyzařují složku elektrického pole, která leží podél roviny.
To je důvod, proč polarizační brýle fungují tak dobře: obsahují vertikální polarizátor, který blokuje horizontálně polarizované fotony, zatímco propouští vertikální. Výsledkem je, že oslnění z cest, jezer a čelních skel je výrazně sníženo.
V počátcích automobilů inženýři dokonce zkoumali velkolepější nápad: co kdyby se polarizace zabudovala přímo do aut? Návrh byl, aby všechny přední světlomety byly vertikálně polarizované, zatímco všechna čelní skla by měla horizontální polarizátory. Výsledkem by bylo, že protijedoucí světlomety by byly automaticky filtrovány, chránící řidiče před oslněním. Koncept byl chytrý a elegantní, ale příliš nákladný pro masovou výrobu v té době. Myšlenka byla opuštěna – polarizační brýle zůstaly praktičtějším řešením stejného problému.
Polarizace může být i exotičtější. Pokud má elektrické pole fotonu vertikální i horizontální složky a tyto složky oscilují mimo fázi o čtvrt cyklu, výsledkem je kruhová polarizace. Pole již nekmítá tam a zpět podél jedné linie, ale místo toho kreslí spirálu, točící se kolem osy pohybu – nepřetržitý boční tanec místo prosté oscilace.
Analogie s dipólovou anténou stále platí: stejně jako má dipól slepé skvrny podél své osy, fotony nikdy nesměřují své elektrické pole podél své cesty. Zůstávají příčné, vždy se otáčejí kolem směru pohybu.
Na kvantové úrovni jsou fotony emitovány v náhlých skocích.
Excitované stavy mohou přetrvávat nanosekundy nebo hodiny, v závislosti na systému, ale když dojde k emisi, je okamžitá – skutečný kvantový skok, bez polovičního stavu a bez částečného fotonu.
Toto je univerzální mechanismus, kterým fotony vznikají.
Jedním z největších triumfů lidstva při využívání fotonů je laser.
Laser začíná nádrží atomů držených v excitovaných stavech. Tato inverze populace je vytvořena čerpáním energie do média – pomocí elektrického výboje, jiného laseru nebo chemické reakce.
Excitované atomy jsou uvězněny mezi dvěma zrcadly: jedno dokonale odrazivé, druhé částečně průhledné. Vzdálenost mezi zrcadly je vyladěna tak, aby odpovídala vlnové délce fotonu. Pouze fotony v rezonanci přežívají opakované odrazy; ostatní se ruší.
Nejprve jsou emise náhodné. Pak je jeden foton spontánně emitován podél osy dutiny. Tento foton se stává pilotem, jako vedoucí jiskra blesku. Jeho elektrické pole definuje orientaci a fázi pro všechny následné stimulované emise. Sousední atomy uvolňují fotony, které jsou přesnými kopiemi – stejná frekvence, stejná fáze, stejná polarizace.
Jak se pilot množí, fotony se odrážejí tam a zpět, posilujíce jeden druhého. Když intenzita dostatečně naroste, proud unikne přes poloprůhledné zrcadlo.
Výsledkem je laserové světlo:
Na rozdíl od smíšeného, náhodného světla žárovky je laser disciplinovanou armádou fotonů kráčejících v dokonalém souladu.
Fotony nejsou jen kuriozitou fyziky – jsou základem vesmíru.
Každý nádech kyslíku, každé jídlo, každý telefonní hovor, každý e-mail závisí na fotonech.
Fotony jsou kvanta elektromagnetického pole, pokrývající spektrum, které pohání hvězdy, podporuje život a umožňuje technologii. Mata generace vědců, protože vzdorovaly kategoriím vlny nebo částice.
Příběh fotonů začal Newtonovými částicemi a Huygensovými vlnami, rostl s Maxwellovými rovnicemi, byl zpřesněn Einsteinovým fotoelektrickým jevem a nakonec našel svůj nejjasnější výraz v Feynmanově analogii s náramkovými hodinkami a matematice QED.
Od signálů ponorek po výbuchy gama záření, od antén po atomy a jádra, od slunečních brýlí po lasery, fotony jsou přítomny. A díky Feynmanově vhledu je konečně vidíme jasně – nejen jako vlny nebo částice, ale jako univerzální kvanta světla.