โฟตอนคืออะไร?

โฟตอนเป็นอนุภาค subatomic พื้นฐานที่มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า - หรือในแง่ที่ง่ายกว่าพวกเขาเป็นอนุภาคแสง (และอื่น ๆ อีกมากมาย) โฟตอนยังเป็น "ควอนตัม" หรือหน่วยพื้นฐานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า- ทุกคนถูกล้อมรอบด้วยโฟตอน: แสงที่มาจากหน้าจอที่คุณกำลังดูประกอบด้วยโฟตอนรังสีเอกซ์แพทย์ใช้เพื่อดูกระดูกทำจากโฟตอนวิทยุในรถได้รับสัญญาณจากโฟตอนและแม่เหล็กบนตู้เย็นใช้โฟตอนเพื่อยึดตัวเอง

เช่นเดียวกับอนุภาค subatomic อื่น ๆ ทั้งหมดโฟตอนแสดงความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นซึ่งหมายความว่าบางครั้งพวกเขาทำตัวเป็นอนุภาคเล็ก ๆ และบางครั้งพวกมันก็ทำหน้าที่เป็นคลื่น โฟตอนไม่มีมวลทำให้พวกเขาสามารถเดินทางได้ที่ความเร็วแสงในสุญญากาศ (299,792,458 เมตรต่อวินาที) และสามารถเดินทางระยะทางที่ไม่มีที่สิ้นสุด

การค้นพบโฟตอน

แม้ว่านักฟิสิกส์ได้ศึกษาธรรมชาติของแสงมานานหลายศตวรรษ แต่ข้อโต้แย้งก็กลับไปกลับมาว่าแสงนั้นทำจากอนุภาคเล็ก ๆ หรือเหมือนคลื่นในธรรมชาติ อย่างไรก็ตามในช่วงปลายยุค 1800 งานบุกเบิกของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck เปลี่ยนภาพทั้งหมด

Planck กำลังศึกษาสิ่งที่เรียกว่า Blackbody Radiation หรือแสงจากอุปกรณ์พิเศษที่ปล่อยแสงในทุกความถี่ให้ได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุดเท่าที่จะทำได้ จนกระทั่ง Planck ไม่มีใครสามารถอธิบายสเปกตรัมของแสงที่มาจากอุปกรณ์เหล่านี้ได้ดังนั้น Planck จึงเพิ่ม "การแก้ไข" ลงในสมการ โดยสมมติว่าแสงสามารถปล่อยออกมาได้เฉพาะในชิ้นพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องหรือที่รู้จักกันในชื่อ Quanta เขาสามารถพัฒนาสูตรที่อธิบายได้อย่างสมบูรณ์แบบ Spectra Blackbodyตาม hyperphysics-

นักฟิสิกส์ไม่แน่ใจว่าจะทำอย่างไรกับผลลัพธ์ของ Planck แต่หลายปีต่อมาอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ก้าวไปอีกขั้นหนึ่ง เพื่ออธิบายไฟล์เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเป็นการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากโลหะเมื่อแสงส่องอยู่ที่ไอน์สไตน์เสนอว่าแสงนั้นประกอบด้วยชิ้นเล็ก ๆ ที่ไม่ต่อเนื่องตามสมาคมกายภาพอเมริกัน- เมื่อเวลาผ่านไปชิ้นเล็ก ๆ เหล่านั้นก็กลายเป็นที่รู้จักกันในชื่อโฟตอน

ผลงานของ Planck, Einstein และอื่น ๆ เพื่อศึกษาธรรมชาติของการพัฒนาของการเตะเบา ๆกลศาสตร์ควอนตัม-

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก - การปล่อยอิเล็กตรอนเมื่อโฟตอนกระทบกับพื้นผิวโลหะ(เครดิตภาพ: Petrroudny ผ่าน Getty Images)

เป็นอนุภาคโฟตอนหรือไม่?

การพูดอย่างเคร่งครัดโฟตอนไม่ใช่อนุภาคหรือคลื่น พวกเขาเป็นการรวมกันของทั้งคู่ ในบางสถานการณ์ธรรมชาติที่มีลักษณะคล้ายอนุภาคของพวกเขาออกมามากขึ้นและในอื่น ๆ ธรรมชาติที่มีลักษณะคล้ายคลื่นของพวกเขาชัดเจนกว่า

ตัวอย่างเช่นเครื่องตรวจจับสามารถลงทะเบียนการมาถึงของโฟตอนเดียวซึ่งปรากฏเป็นอนุภาคเหมือนจุด กระบวนการที่เรียกว่าการกระเจิงของคอมป์ตันเกี่ยวข้องกับโฟตอนที่โดดเด่นด้วยอิเล็กตรอนและในสถานการณ์นั้นโฟตอนทำหน้าที่เป็นอนุภาค

อย่างไรก็ตามมันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายว่าโฟตอนที่หรือเมื่อใดจะโจมตีเครื่องตรวจจับ ในกลศาสตร์ควอนตัมหนึ่งสามารถกำหนดความน่าจะเป็นให้กับเหตุการณ์เท่านั้น เหตุการณ์เหล่านั้นถูกสร้างแบบจำลองโดยสมการสำหรับคลื่นโดยมียอดเขาในคลื่นที่สอดคล้องกับภูมิภาคที่มีความน่าจะเป็นสูงในการรับโฟตอนและรางที่สอดคล้องกับภูมิภาคที่มีความน่าจะเป็นต่ำตาม Accessscience โดย McGraw Hill-

แนวคิดนี้เป็นตัวอย่างที่ดีที่สุดโดยการทดลองสองครั้งที่มีชื่อเสียงซึ่งทำให้ธรรมชาติของแสงคลื่นคู่ของแสงคู่ (และในที่สุดอนุภาค subatomic อื่น ๆ ) เมื่อแสงผ่านหน้าจอที่มีสองร่องถูกตัดลงไปมันจะสร้างรูปแบบการรบกวนบนเครื่องตรวจจับที่อีกด้านหนึ่งของหน้าจอซึ่งยอดเขาของคลื่นเข้ากันในบางสถานที่และที่ยอดเขาและรางตัดซึ่งกันและกัน แม้ว่าโฟตอนเดียวจะผ่านหน้าจอในแต่ละครั้ง - ด้วยโฟตอนแต่ละตัวที่ทำหน้าที่เหมือนอนุภาค - รูปแบบการรบกวนที่ปรากฏบนเครื่องตรวจจับเป็นรูปแบบเดียวกันที่จะเกิดขึ้นหากคลื่นผ่านร่องแทน

การทดลองสองครั้งแสดงให้เห็นว่าแสงทำหน้าที่เหมือนทั้งอนุภาคและคลื่น(เครดิตภาพ: Grayjay ผ่าน Shutterstock)

โฟตอนมีมวลและโมเมนตัมหรือไม่?

โฟตอนมีมวลเป็นศูนย์ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถเดินทางด้วยความเร็วที่เร็วที่สุดในจักรวาลความเร็วของแสง อย่างไรก็ตามพวกเขามีพลังงานและโมเมนตัม พลังงานของโฟตอนนั้นได้รับจากเวลาคงที่ของ Planck เวลาความถี่ของแสงและโมเมนตัมของโฟตอนจะได้รับจากค่าคงที่ของ Planck เวลาที่ความถี่ของแสงเวลาของแสงตามเว็บไซต์การศึกษาพลังงานของมหาวิทยาลัยคาลการี-

ความจริงที่ว่าโฟตอนมีโมเมนตัมเปิดใช้งานแอปพลิเคชันที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่นการใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ขับเคลื่อนการทดลองที่ใช้แสงแดดเพื่อผลักยานอวกาศตามที่นาซ่าโฟตอนจากดวงอาทิตย์กระเด้งออกมาจากใบเรือที่สะท้อนออกมาจึงให้แรงผลักดันของพวกเขาบนใบเรือและขยับยานอวกาศ

โฟตอนสัมผัสเวลาหรือไม่?

ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอัตราเวลามาจากทฤษฎีพิเศษของไอน์สไตน์สัมพัทธภาพซึ่งระบุว่าวัตถุที่เดินทางเข้ามาใกล้และใกล้ชิดกับความเร็วของแสงมากขึ้นจะได้สัมผัสกับอัตราเวลาที่ช้าลงและช้าลง กล่าวอีกนัยหนึ่งการเคลื่อนไหวของนาฬิกาทำงานช้าตามที่ John D. Horton จากมหาวิทยาลัยพิตต์สเบิร์ก-

อย่างไรก็ตามคณิตศาสตร์ของสัมพัทธภาพพิเศษใช้กับวัตถุที่เดินทางช้ากว่าความเร็วแสงเท่านั้นและไม่ใช้กับโฟตอนโดยตรงซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสง ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะบอกว่าโฟตอน "ประสบการณ์" ในแง่ของการไหลของเวลาเพราะนักวิทยาศาสตร์ไม่มีภาษาคณิตศาสตร์ที่จะสนับสนุน อีกวิธีหนึ่งที่จะนำสิ่งนี้คือแนวคิดของการไหลของเวลานั้นไม่มีความหมายต่อโฟตอน

โฟตอนได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงหรือไม่?

เนื่องจากโฟตอนมีทั้งพลังงานและโมเมนตัมพวกเขาจึงได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง- ภายใต้ทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ซึ่งเป็นความเข้าใจที่ทันสมัยของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงอะไรก็ตามที่มีพลังงานทุกรูปแบบ (รวมถึงมวลโมเมนตัมและแรงบิด) ได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่ไม่มีมวลเช่นโฟตอนติดตาม "Geodesics" ซึ่งเป็นเส้นทางของระยะทางขั้นต่ำจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งตาม Earthsky-

ในสัมพัทธภาพทั่วไปเวลาอวกาศโค้งงอเนื่องจากอิทธิพลของวัตถุขนาดใหญ่ สิ่งนี้สามารถทำให้เส้นทาง "ระยะทางขั้นต่ำ" เป็นเส้นโค้งได้เช่นเดียวกับเจ็ตส์ต้องทำตามเส้นทางโค้งเพื่อไปจากเมืองหนึ่งไปยังอีกเมืองหนึ่งเพราะโลกตัวเองโค้ง

ความโค้งของเวลาอวกาศส่งผลกระทบต่อโฟตอนในหลายวิธี เมื่อโฟตอนกำลังเคลื่อนที่จากภูมิภาคที่มีแรงโน้มถ่วงแรงโน้มถ่วงไปสู่พื้นที่ของแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอกว่าพวกเขาจะสูญเสียพลังงานซึ่งจะช่วยลดความถี่ของพวกเขาไปยังปลายสีแดงของสเปกตรัม เมื่อโฟตอนผ่านใกล้วัตถุขนาดใหญ่ทิศทางการเคลื่อนไหวของพวกเขาจะเปลี่ยนไป

ทรัพยากรเพิ่มเติม

คุณสามารถขุดลึกลงไปในความสัมพันธ์ระหว่างแสงและเวลาในวิดีโอ YouTube นี้โฮสต์โดยผู้เขียนบทความนี้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Paul M. Sutter
เพื่อการสำรวจความสนุกสนานเกี่ยวกับธรรมชาติของกลศาสตร์ควอนตัม (ซึ่งแน่นอนว่ายังกล่าวถึงโฟตอน) ลองดู"วิธีสอนฟิสิกส์ควอนตัมให้กับสุนัขของคุณ"(Scribner, 2010) โดยนักฟิสิกส์ Chad Orzel
โรงพยาบาลฟิสิกส์ยังเป็นเจ้าภาพวิดีโอที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับธรรมชาติของโฟตอนซึ่งคุณสามารถทำได้ดูที่นี่-

บรรณานุกรม

Afework, B. , Boechler, E. , Campbebel, A. , Hanania, J. , Heffernan, B. , Genden, J. , Street, K. , & Donv, J. (2021, 22 ตุลาคม)โฟตอน- การศึกษาด้านพลังงานhttps://energyeducation.ca/encyclopedia/photon

สังคมกายภาพอเมริกัน (2005, มกราคม)เดือนนี้ในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์: Einstein และเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก- ข่าว APShttps://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm#:~:~:Text=light%2C%20Einstein%20SAID%2C%20IS%20A

Hall, L. (2021, 6 ตุลาคม)ระบบ Solar Sole Advanced Composite Solar: การใช้แสงแดดเพื่อให้พลังงานสำรวจอวกาศลึก-นาซ่า-https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/acs3

Kleppner, D. (2019)โฟตอน- AccessSciencehttps://www.accessscience.com/content/511100

Nave, R. (ND)รังสีดำ- ไฮเปอร์ฟิสิกส์ สืบค้น 8 มีนาคม 2565 จากhttps://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html

Norton, JD (2018, 10 ตุลาคม)สัมพัทธภาพทั่วไป- Einstein สำหรับทุกคนhttps://sites.pitt.edu/~jdnorton/teaching/hps_0410/chapters/general_relativity/

Whitt, KK (2021, 8 กันยายน)เลนส์แรงโน้มถ่วงคืออะไร?Earthskyhttps://earthsky.org/space/what-is--gravitational-lensing-einstein-ring/#:~:meTex

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกที่ส่งตรงไปยังกล่องจดหมายของคุณ