Znanstveniki prvič razkrili obliko fotona: delca, ki prenaša svetlobo

Foto, Zajem zaslona/PHYSICAL REVIEW LETTER/BEN YUEN

S pomočjo matematičnih izračunov smo dobili vizualno upodobitev fotonov.

Kaj je v resnici svetloba, je bila za človeštvo uganka. Šele relativno nedavno smo razkrili njeno naravo.

Britanski znanstvenik Isaac Newton je tako v svojem delu Optika (originalno: “Opticks”), izdanem leta 1701, razvil teorijo, da svetlobo prenašajo drobni hitri delci, ki jih je imenoval korpuskule, ki se gibljejo v ravnih linijah. Vendar s teorijo ni mogel pojasniti pojava difrakcije (uklona) in interference, pa tudi pojava barv ni mogel povsem zadovoljivo razložiti.

Veliko bolje je to uspelo nizozemskemu znanstveniku Christiaanu Huygensu, ki je že 20 let pred Newtonom menil, da je svetloba nekakšno valovanje. Čeprav je Huygensova tako imenovana valovna teorija svetlobe veliko enostavneje pojasnila oba pojava, pa tudi odboj in lom svetlobe, je Newtonova “korpuskularna teorija” obveljala še skoraj celo stoletje. Šele takrat so nova odkritja potrdila, da je svetloba res valovanje in Huygensova teorija je na neki način “premagala” Newtonovo.

A ni ostalo samo pri tem. V 20. stoletju se je razvila kvantna teorija, ki je pravzaprav združila obe teoriji, saj je svetlobo opisala kot tok hitrih delcev ali “paketov energije” (kvantov), ki pa se hkrati obnaša tudi kot valovanje. Te kvante so poimenovali fotoni in danes velja, da ima svetloba dvojno naravo.

Ta dvojnost je za marsikoga trd oreh, saj si jo je nemogoče predstavljati. Vedenje fotonov (svetlobe) v prostoru lahko namreč opisujemo zgolj s precej zapletenimi matematičnimi enačbami (če vam pojem “valovne funkcije” ni neznan, veste, o čem govorimo). A je ta teorija trenutno najboljše, kar premoremo.

Podoba, ki je nastala skoraj kot stranski produkt

Danes tudi vemo, da je svetloba, ki jo vidimo, samo del celega spektra elektromagnetnih valovanj, kamor sodijo na primer tudi toplotno sevanje (infrardeča svetloba ali infrardeči žarki), rentgenski žarki, ultravijolična svetloba in radijski valovi.

Je pa kvantna teorija svetlobe omogočila razvoj mnogih tehnologij, s katerimi se danes vsakodnevno srečujemo. Svetloba (v najširšem smislu) in snov namreč medsebojno delujeta (fiziki temu pravijo “interagiranje”) in razumevanje teh interakcij je pomembno tudi za delovanje in razvoj tehnologij, ki na njih temeljijo. Kot piše portal IFL Science, je razumevanje teh interakcij monumentalna naloga, saj ima svetloba, ki se širi po okolju, neomejene možnosti za interakcijo.

S to nalogo se ukvarjajo tudi raziskovalci univerze v Birminghamu v Združenem kraljestvu.

Razvili so zanimiv računalniški model, ki naj bi jim pomagal rešiti enega izmed problemov – kaj se dogaja s fotonom v oddajniku in kako mu slediti, ko oddajnik zapusti. Pri tem pa so ustvarili nekaj, česar doslej še nismo videli – sliko fotona. “Naši izračuni so nam omogočili pretvoriti na videz nerešljiv problem v nekaj, kar je mogoče izračunati. In skoraj kot stranski produkt modela smo lahko ustvarili to sliko fotona, nekaj, česar fizika doslej še ni videla,” je v izjavi za javnost povedal prvi avtor, dr. Benjamin Yuen, čigar raziskava je bila objavljena v reviji Physical Review Letters.

Ali ima foton zares takšno obliko? Kaj dejansko predstavlja njegova “podoba”

Vendar je treba pri tem vedeti, da “podoba” fotona ne odseva njegove resnične oblike.

Slika fotona, predstavljena v raziskavi, je le konstrukt, vizualna upodobitev, ustvarjena na podlagi matematičnih izračunov. Fotoni v resnici nimajo oblike in barve, kot jo ima na primer žoga. Sami namreč nimajo mase, kot jo imajo snovni predmeti, oziroma kot bi se izrazili fiziki, nima mase v mirovanju.

Lahko si ga predstavljamo kot “paket energije”, kvant, ki ima le tako imenovano relativistično maso, oziroma energijo in impulz, s katerima lahko vpliva na materijo. Tudi barve nimajo, saj je barva le konstrukt naših možganov, ki tako razložijo različne valovne dolžine svetlobe (ki jo prenašajo fotoni), ki vzburijo receptorje v naših očeh.

Bo pa ta “podoba fotona” lahko v pomoč pri raziskavah na različnih področjih, od fizike do znanosti o materialih in pri tehnologijah, ki vključujejo interakcije med svetlobo in snovjo. “Z razumevanjem tega postavljamo temelje za inženiring interakcij med svetlobo in snovjo za prihodnje aplikacije, kot so boljši senzorji, izboljšane fotovoltaične celice ali kvantno računalništvo,” je o pomenu “fotonove podobe” še dejal Yuen.