https://fremont.ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/pl.html
Niewiele koncepcji w historii ludzkości miało tak ogromne znaczenie symboliczne jak światło. Na długo przed tym, zanim mogliśmy zmierzyć jego długość fali czy obliczyć jego energię, ludzie przeczuwali, że światło to coś więcej niż zjawisko fizyczne – było metaforą samego życia.
W Biblii Hebrajskiej stworzenie zaczyna się od słów: „Niech stanie się światłość.” W Koranie Bóg jest opisany jako „Światło niebios i ziemi”. W buddyzmie oświecenie to stan przebudzenia do prawdy. W różnych tradycjach światło jest przejawem boskości, czystości i mądrości. Ciemność z kolei oznacza ignorancję, zło lub chaos.
Nasze języki zachowują te metafory. „Rzucamy światło” na problem, „widzimy światło”, gdy coś rozumiemy, i nazywamy kogoś „błyskotliwym”, gdy inspiruje. Wiedza to światło, które rozprasza cienie ignorancji.
Na długo przed współczesnymi religiami kultury na całym świecie obchodziły przesilenie zimowe – najkrótszy dzień, gdy ciemność osiąga swój szczyt, a światło zaczyna powracać. Dla wczesnych społeczeństw, zależnych od słońca dla ciepła i plonów, przesilenie było punktem zwrotnym przetrwania i nadziei. Ognie, uczty i rytuały świętowały odrodzenie światła. Tradycja ta została później wpleciona w chrześcijaństwo jako Boże Narodzenie, ale głębsza symbolika pozostaje: odnowa życia przez powrót słońca. Nawet dzisiaj obchody przesilenia przypominają nam o centralnym miejscu światła w ludzkiej kulturze.
Światło było więc dla nas zawsze czymś więcej niż fotonami: to energia, informacja i życie – zarówno w sensie materialnym, jak i duchowym.
Po tysiącleciach życia z jego metaforami ludzkość zwróciła się do nauki, by zapytać: z czego naprawdę składa się światło?
Foton można postrzegać jako mikroskopijną antenę lub rezonujący obwód złożony z indukcyjności i pojemności – tyle że bez żadnych fizycznych części. Istnieje i rozprzestrzenia się, nieustannie przekształcając energię elektryczną w energię magnetyczną i z powrotem, w samoistnej oscylacji, która umożliwia światłu podróż przez przestrzeń.
Jednak fotony nie ograniczają się do wąskiego pasma kolorów widocznych dla naszych oczu. Obejmują ogromny zakres, od fal radiowych dłuższych niż wieżowce po promienie gamma mniejsze niż jądro atomowe. W całym tym spektrum kształtują wszechświat, podtrzymują życie i napędzają ludzką cywilizację.
Każdy foton można opisać na trzy powiązane sposoby:
Te trzy aspekty są powiązane przez prędkość światła: c = λν. Dłuższe fale oznaczają niższą częstotliwość i mniejszą energię, podczas gdy krótsze fale przynoszą wyższą częstotliwość i większą energię. Zakres jest zdumiewający:
To spektrum pokazuje, jak ten sam kwant – foton – wyraża się inaczej w różnych skalach.
Różne procesy fizyczne dają początek różnym obszarom spektrum:
W ten sposób fotony powstają z anten, atomów i jąder, łącząc fizyczny wszechświat.
Ponieważ energia fotonu jest proporcjonalna do częstotliwości (E = hν), fotony o częstotliwości radiowej mają niezwykle mało energii – biliony razy mniej niż fotony widzialne lub gamma. W rezultacie anteny nie emitują pojedynczych fotonów w sposób łatwy do wykrycia. Zamiast tego uwalniają ogromne ilości fotonów jednocześnie.
Pojedyncza antena nadawcza może emitować rzędu 10²⁰ do 10²⁵ fotonów radiowych na sekundę. Dla każdego odbiornika – lub naszej intuicji – wygląda to jak gładka, ciągła fala. Kwantyzacja nadal istnieje, ale jest ukryta pod ogromną obfitością.
Z kolei wysokoenergetyczne fotony, takie jak ultrafioletowe, rentgenowskie czy gamma, przenoszą wystarczająco dużo energii, by można je było wykryć pojedynczo. Ich cząsteczkowa natura jest oczywista, dlatego wyjaśnienie Einsteina efektu fotoelektrycznego skupiło się na świetle ultrafioletowym, a nie radiowym.
Ta różnica w postrzeganiu jest jednym z powodów, dla których debata fala-cząstka trwała tak długo.
Nasze zrozumienie fotonów ewoluowało przez wieki debat i odkryć.
Feynman nie odkrył fotonów, ale dał nam najpełniejsze i najdokładniejsze zrozumienie ich, jednocząc wieki sprzecznych teorii w spójną ramę.
Oprócz częstotliwości fotony mają inną właściwość: polaryzację.
Ponieważ pole elektryczne fotonu musi zawsze oscylować prostopadle do jego kierunku ruchu, może być zorientowane pod dowolnym kątem w tej płaszczyźnie poprzecznej. Wyobraź sobie foton poruszający się do przodu: jego pole może oscylować pionowo, poziomo lub gdziekolwiek pomiędzy. To jest polaryzacja.
Jednym z najbardziej znanych skutków polaryzacji jest odblask. Gdy światło odbija się od płaskiej, poziomej powierzchni, takiej jak woda, szkło czy mokry asfalt, odbite fotony nie są zorientowane losowo. Fizyka odbicia faworyzuje światło spolaryzowane poziomo, ponieważ elektrony na powierzchni efektywniej reemitują składową pola elektrycznego leżącą wzdłuż płaszczyzny.
Dlatego spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne działają tak dobrze: zawierają pionowy polaryzator, który blokuje poziomo spolaryzowane fotony, przepuszczając pionowe. W rezultacie odblask z dróg, jezior i szyb samochodowych jest znacznie zredukowany.
We wczesnych latach motoryzacji inżynierowie rozważali nawet większy pomysł: co by było, gdyby polaryzację można było wbudować w same samochody? Propozycja zakładała, że wszystkie reflektory miałyby polaryzację pionową, a wszystkie przednie szyby byłyby wyposażone w polaryzatory poziome. Efektem byłoby automatyczne odfiltrowanie reflektorów nadjeżdżających samochodów, chroniąc kierowców przed odblaskiem. Koncepcja była sprytna i elegancka, ale zbyt kosztowna dla masowej produkcji w tamtych czasach. Pomysł porzucono – pozostawiając okulary przeciwsłoneczne jako bardziej praktyczne rozwiązanie tego samego problemu.
Polaryzacja może być również bardziej egzotyczna. Jeśli pole elektryczne fotonu ma zarówno składowe pionowe, jak i poziome, a te składowe oscylują z przesunięciem fazowym o ćwierć cyklu, wynikiem jest polaryzacja kołowa. Pole nie oscyluje już w przód i w tył wzdłuż jednej linii, lecz zakreśla helisę, spiralując wokół osi ruchu – ciągły taniec boczny zamiast prostej oscylacji.
Analogia do anteny dipolowej nadal się sprawdza: podobnie jak antena dipolowa ma martwe punkty wzdłuż swojej osi, fotony nigdy nie kierują swojego pola elektrycznego wzdłuż swojej ścieżki. Pozostają poprzeczne, zawsze krążąc wokół kierunku ruchu.
Na poziomie kwantowym fotony są emitowane w nagłych skokach.
Stany wzbudzone mogą trwać nanosekundy lub godziny, w zależności od systemu, ale gdy dochodzi do emisji, jest ona natychmiastowa – prawdziwy skok kwantowy, bez stanu pośredniego i bez częściowego fotonu.
To uniwersalny mechanizm, przez który rodzą się fotony.
Jednym z największych triumfów ludzkości w wykorzystaniu fotonów jest laser.
Laser zaczyna się od zbiornika atomów utrzymywanych w stanie wzbudzonym. Ta inwersja populacji jest tworzona przez pompowanie energii do medium – za pomocą wyładowania elektrycznego, innego lasera lub reakcji chemicznej.
Wzbudzone atomy są uwięzione między dwoma lustrami: jednym w pełni odbijającym, drugim częściowo przezroczystym. Odległość między lustrami jest dostrojona do długości fali fotonu. Tylko rezonujące fotony przetrwają wielokrotne odbicia; reszta się znosi.
Na początku emisje są losowe. Następnie jeden foton jest emitowany spontanicznie wzdłuż osi wnęki. Ten foton staje się pilotem, jak iskra prowadząca błyskawicy. Jego pole elektryczne określa orientację i fazę dla wszystkich kolejnych emisji wymuszonych. Sąsiednie atomy uwalniają fotony, które są dokładnymi kopiami – ta sama częstotliwość, ta sama faza, ta sama polaryzacja.
Gdy pilot się mnoży, fotony odbijają się tam i z powrotem, wzmacniając się nawzajem. Gdy intensywność staje się wystarczająco wysoka, strumień ucieka przez częściowo przezroczyste lustro.
Wynikiem jest światło laserowe:
W przeciwieństwie do mieszanego, losowego światła żarówki, laser to zdyscyplinowana armia fotonów maszerująca w zgodnym kroku.
Fotonów nie można traktować jedynie jako ciekawostek fizycznych – są one fundamentem wszechświata.
Każdy oddech tlenu, każdy posiłek, każdy telefon, każdy e-mail zależy od fotonów.
Fotonów to kwanty pola elektromagnetycznego, obejmujące spektrum, które napędza gwiazdy, podtrzymuje życie i umożliwia technologię. Zmyliły one pokolenia naukowców, ponieważ nie mieściły się w kategoriach fali czy cząstki.
Historia fotonów zaczęła się od cząstek Newtona i fal Huygensa, rozrosła się dzięki równaniom Maxwella, została wyostrzona przez efekt fotoelektryczny Einsteina, a najczystszy wyraz znalazła w analogii zegarka na rękę Richarda Feynmana i matematyce QED.
Od sygnałów podwodnych po wybuchy promieni gamma, od anten po atomy i jądra, od okularów przeciwsłonecznych po lasery – fotony są wszędzie. Dzięki wglądowi Feynmana widzimy je wreszcie wyraźnie – nie tylko jako fale czy cząstki, ale jako uniwersalne kwanty światła.