Прямо зараз у наші очі щосекунди потрапляють мільярди фотонів. Вони прилетіли від Сонця, лампочок, екрана телефона і навіть від власного тіла. Але на запитання, що таке фотон, навряд чи більшість з нас зможе відповісти? То ж запрошую у незвичний світ фотонів, який ми бачимо щодня, але навряд чи замислюємося, що воно таке.
На Землі тепло часто передається через гаряче повітря або воду. Але в космосі немає ні того, ні іншого. Між нами та Сонцем майже 150 мільйонів кілометрів космічного простору. Там немає повітря, немає води і майже немає речовини. Виникає запитання, яким чином сонячна енергія дістається до Землі через цей гігантський космічний простір?
Фотон – енергетична посилка
Саме тут на сцену виходить фотон, який можна порівняти з мікроскопічною енергетичною посилкою. Уявіть службу доставки. Кур’єр забирає пакунок в одному місці та доставляє його в інше. Фотон виконує дуже схожу роботу. Він переносить енергію від одного об’єкта до іншого. Можна сказати, що фотони є кур’єрською службою Всесвіту. Але що собою являє цей кур’єр?
Наприкінці XIX століття фізики вважали, що світло — це лише хвиля. Але на початку XX століття Альберт Ейнштейн показав, що світло поводиться так, ніби складається з окремих порцій енергії. Саме ці порції згодом назвали фотонами.
Дехто уявляє фотон як крихітну кульку, що летить у просторі. Насправді все набагато складніше. Фотон не має маси спокою. Його неможливо покласти на ваги. Він не може зупинитися й завжди рухається зі швидкістю світла — майже 300 тисяч кілометрів за секунду. Але при цьому фотон цілком реальний. Він може переносити енергію, передавати імпульс, нагрівати речовину і навіть штовхати предмети.
Наприклад, сонячне світло чинить дуже слабкий тиск. Настільки слабкий, що ми його не помічаємо. Але в космосі цей ефект вже використовують для проєктів сонячних вітрил.
Тоді виникає інше запитання. Якщо фотон переносить енергію, хто створює самого фотона?
Як народжується фотон
Науковці дослідили, що фотони народжуються тоді, коли якась система віддає енергію. Наприклад, електрон в атомі отримав додаткову енергію та перейшов на вищий енергетичний рівень. Але такий стан нестабільний. Через деякий час електрон повертається назад і віддає надлишок енергії. Саме в цей момент народжується фотон.
Можна сказати, що фотон — це порція енергії, яка відокремилася від речовини та вирушила в подорож. Фотони народжуються не лише в атомах. Вони виникають у лампочках, у багатті, в екрані телефона, в полум’ї свічки і навіть усередині нашого тіла.
Так-так, ваше тіло прямо зараз виробляє фотони. Температура людського тіла становить приблизно 36,6 градуса. Через тепловий рух атомів і молекул наша шкіра постійно випромінює інфрачервоні фотони. Саме тому тепловізор може бачити людину навіть у повній темряві.
Незалежно від того, чи йдеться про радіохвилі, видиме світло, ультрафіолет чи гамма-випромінювання, переносником усіх цих видів електромагнітного випромінювання є одна й та сама частинка — фотон. Різниця лише в кількості енергії, яку вона переносить.
Наприклад, фотон радіохвилі несе дуже мало енергії. Фотон видимого світла — більше. Фотон ультрафіолету — ще більше. Рентгенівський фотон — значно більше. А гамма-фотон є справжнім енергетичним рекордсменом. І саме тому гамма-випромінювання таке небезпечне. До речі, різні кольори видимого світла теж відповідають фотонам з різною енергією. Червоні фотони несуть менше енергії, сині — більше.
Як помирає фотон
А що відбувається з фотоном після того, як він доставив свою енергію? Уявімо фотон, який вилетів із Сонця та через вісім хвилин досяг Землі. Він потрапляє на асфальт. Його енергія передається атомам асфальту. Атоми починають рухатися швидше. Асфальт нагрівається. Фотон зникає.
Його місія завершена. Енергія не зникла, але фотона більше немає. Те саме відбувається, коли фотон потрапляє в наше око. Фотон запускає хімічні реакції в сітківці, після чого перестає існувати як окрема частинка. Саме так ми бачимо світ.
Тому фотон не схожий на вантажівку, яка повертається за новим вантажем. Він більше схожий на одноразову посилку. Народився. Пролетів. Передав енергію. Зник.
Чи є фотон матерією?
Але залишається ще одне важливе питання. Чи є фотон матерією? І так, і ні. Фотон не є матерією в тому розумінні, як атом, молекула або людина. Він не має маси спокою і не може лежати на столі. Але він абсолютно реальний. Він переносить енергію. Переносить імпульс. Впливає на речовину. І навіть може перетворюватися на інші частинки.
Тому сучасна фізика вважає фотон не шматочком матерії, а особливою фундаментальною частинкою — переносником електромагнітної взаємодії. Можна сказати, що весь видимий Всесвіт ми спостерігаємо саме завдяки фотонам. Без них не було б кольорів, сонячного тепла, фотографій, телебачення, сонячних батарей, оптоволоконного інтернету і навіть самого зору.
Тому, кожного разу, коли промінь Сонця торкається вашої шкіри, пам’ятайте: це не просто світло. Це мільярди крихітних кур’єрів Всесвіту, які щосекунди доставляють енергію від зірок до нашого світу.
Ще один важливий момент. Якщо рентгенівське випромінювання складається з фотонів, якщо гамма-випромінювання теж складається з фотонів, то чому звичайне сонячне світло не є небезпечною радіацією?
Відповідь полягає в кількості енергії, яку переносить кожен фотон. Більшість фотонів видимого світла мають відносно невеликий запас енергії. Її достатньо, щоб ми бачили навколишній світ або щоб нагрівалися предмети, але недостатньо для серйозного пошкодження атомів і молекул у нашому організмі.
То ж, усе, що ми бачимо навколо себе, усе тепло Сонця, кольори квітів, сяйво зірок і навіть слова на екрані, які ви зараз читаєте, стали можливими завдяки фотонам. І серед усіх них особливе місце займає ультрафіолет, який допомагає організму виробляти вітамін D, але водночас може викликати сонячні опіки та підвищувати ризик розвитку раку шкіри.