Foton

Foton er i kvantemekanikken et kvant av elektromagnetisk stråling. Det er dermed en partikkel med bestemte egenskaper. Fotoner beveger seg alltid med konstant fart lik lysets hastighet. Det var Albert Einstein som gjennom sine studier av sort stråling på begynnelsen av 1900-tallet kom frem til at lys hadde egenskaper som om de var partikler med bestemt energi og impuls. Albert Einstein bygget videre på Max Plancks arbeid i det som senere skulle bli kjent som kvantemekanikk. Dette ble eksperimentelt verifisert rundt 1923 ved Compton-spredning. Fotonet betegnes ved den greske bokstaven γ (gamma), da det tidlig viste seg at den radioaktive gammastrålingen var elektromagnetisk stråling med meget høy energi.

Fotonet var den første, kjente «kvantepartikkel» som har både bølge- og partikkelegenskaper. Derfor ble det snart stilt spørsmål om vanlige partikler også ville ha bølgeegenskaper. Det førte i 1924 at Louis de Broglie foreslo at også elektronet kunne beskrives som en materiebølge. Kort tid deretter fant Erwin Schrödinger den riktige bølgeligningen som gjelder for alle partikler. En fullstendig kvantemekanisk beskrivelse av fotonet ble gitt av Paul Dirac i 1927. Dette arbeidet markerte begynnelsen på moderne kvantefeltteori som beskriver alle elementærpartikler. 

Navnet foton kommer fra gresk phos for «lys». Det er den amerikanske kjemikeren Gilbert N. Lewis som vanligvis blir gitt æren for å ha foreslått dette i 1926. Men på 2010-tallet ble det påvist at navnet var allerede lansert av andre flere år tidligere.

Egenskaper

Etter at den tyske fysiker Max Planck hadde forklart egenskapene til sort stråling i 1900 ved å innføre sitt virkningskvantum h , gikk Albert Einstein i gang med å studere denne strålingen nærmere, basert på sin forståelse av termodynamikk og statistisk mekanikk. Han fant da ut at energien til elektromagnetisk stråling som tidligere var beskrevet som kontinuerlige bølger, også kunne beskrives som om den var fordelt på diskrete kvant med energi. Har strålingen frekvensen ν, vil et slikt lyskvant ha energien E = hν . 

På dette viset gikk Einstein lengre i sine antagelser enn Planck opprinnelig hadde gjort ved utledning av sin strålingslov. Der hadde han antatt at det var kun de materielle oscillatorene i veggene som omsluttet strålingen, som var kvantiserte. Selve strålingen skulle betraktes som kontinuerlige bølger. Dette klassiske bildet ville Einstein forkaste. Med denne nye forståelsen kunne han i 1905 forklare den fotoelektriske effekten. For dette arbeidet ble Einstein i 1921 tildelt nobelprisen i fysikk.

Impuls
Lyskvantet til Einstein var i begynnelsen ikke noen partikkel i vanlig forstand. Fortsatte studier av varmestråling og betydningen av Plancks strålingslov overbeviste Einstein om at et lyskvant med frekvens ν også måtte tilskrives en impuls p = hν/c = h/λ . Her er  c lyshastigheten og λ = c/ν er bølgelengden til strålingen. Impulsen er en vektor p som er rettet langs retningen som den tilsvarende bølgen beveger seg langs. 

Dette resultatet kom han frem til ved å tenke seg utsendelse av et lyskvant fra en enkel partikkel. Selv om lyskvantet har energien E = hν, kunne den i prinsippet bli sent jevnt ut i alle retninger. Men for at strålingen skulle forbli i termisk likevekt med partiklene, viste han at det var nødvendig at energien var konsentrert i en bestemt, men vilkårlig retning. Partikkelen som sender ut lyskvantet, får da en rekyl som betyr at lyskvantet har akkurat denne impulsen p = h/λ .

Masse
Energi og impuls for en partikkel med masse m, er alltid forbundet ved den generelle formelen

 

fra den spesielle relativitetsteorien. For fotonet er E = pc som derfor betyr at fotonet har null masse. Ved bruk av kvantemekanikk kunne Paul Dirac i 1927 gi en konsistent beskrivelse av alle egenskaper ved fotonet og dets vekselvirkning med materie. Dette var første formulering av hva som i dag kalles kvanteelektrodynamikk. Det  ble nå klart at fotonet ga opphav til elektriske og magnetiske krefter mellom materiepartikler med elektrisk ladning. At massen var nøyaktig lik null, medførte at disse kreftene fikk lang rekkevidde. Dette kommer til uttrykk bl.a. i Coulombs lov som beskriver hvordan  kraften avtar mellom to ladninger.

Spinn og statistikk

En lysbølge kan være planpolarisert på to måter. Det  består i at det elektriske feltet i bølgen peker i en av to ortogonale retninger som begge står vinkelrett på bølgens forplantningsretning. Når bølgen er sirkulært polarisert,  roterer den elektriske vektoren med eller mot viserne på en klokke med urskiven vinkelrett på denne retningen. I den kvantemekaniske beskrivelsen tilsvarer dette at fotonet som bølgen beskriver, er en partikkel med spinn S = 1.  Men siden fotonet har null masse og derfor ikke noe hvilesystem, må spinn-vektoren S kun peke enten langs impulsen p eller i motsatt retning. I det første tilfellet sier man at fotonet er høyrevridd, i det andre tilfellet er det venstrevridd.

Fra arbeidet til Dirac ble det også klart at fotonet er et boson som oppfyller Bose-Einstein-statistikk. Mange fotoner med samme frekvens vil da kvantemekanisk foretrekke å opptre i samme tilstand. Dette utnyttes i en laser som  produserer koherent lys.

Lys

I sitt store verk Opticks argumenterte Isaac Newton for at lys måtte bestå av små partikler eller «korpuskler». Denne teorien ble etter hvert erstattet med teorier basert på bølger i en eter som til slutt fikk sin endelige utforming i Maxwells elektromagnetiske teori. Etter etableringen av kvantemekanikken ble det klart at partikler kan tilordnes bølgeegenskaper og noen fenomen som den fotoelektriske effekten viser at lys består av fotoner. 

Denne innsikten har i nyere tid ledet Richard Feynman til å beskrive lys fundamentalt som bestående av fotoner. Et argument er å betrakte lys som sendes mot en flate som består av veldig små fotoceller. Når lysintensiteten blir tilstrekkelig lav, vil disse tennes én og én og ikke flere samtidig. Det viser at energien i strålingen befinner seg i små, lokaliserte pakker. Hvert slikt masseløst foton er en partikkel bortsett fra at den beveger seg ifølge kvantemekanikkens lover istedenfor etter Newtons lover. En slik beskrivelse kan likevel forklare de klassiske bølgefenomenene som interferens og diffraksjon.

Gaugebosoner

Når man går nærmere inn i elektromagnetisk teori for å forstå hvorfor massen til fotonet er nøyaktig lik null, finner man ut at det skyldes at teorien er invariant under gaugetransformasjoner. Teorien er derfor en gaugeteori. Mer kompliserte versjoner av slike teorier beskriver andre gaugebosoner som gir opphav til krefter mellom partiklene i atomkjernen.

Elektrosvake bosoner
På 1960-tallet ble det klart at den elektromagnetiske kraften formidlet av fotonet, hadde mange likhetspunkter med den svake kjernekraften. Det lyktes Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg å utvikle en enhetlig teori for begge disse kreftene. De to kreftene betegnes i dag med det felles navnet elektrosvake vekselvirkninger. Det masseløse fotonet inngår her sammen med de tre massive gaugebosonene Z 0,  W + og W -. De har masse på grunn av Higgs-mekanismen og formidler  den svake kjernekraften. På samme måten som fotonet har de også spinn S = 1. For disse arbeidene ble de tre fysikerne  i 1979 tildelt nobelprisen i fysikk.

Sterke bosoner

Den sterke kjernekraften som holder protonene og nøytronene på plass i atomkjernen, formidles av et gaugeboson som kalles for gluon. Det har også spinn S = 1 og er masseløst som fotonet. Men i motsetning til fotonet, har gluonet en slags ladning. Dette er ingen elektrisk ladning, men en blanding av de tre fargene til kvarkene.  For gluonet kan denne blandingen opptre i åtte forskjellige valører. Siden gluonene har slike fargeladninger, virker det krefter mellom dem som formidles ved utveksling av andre gluoner. På 1970-tallet lykkes det å finne en meget elegant, men matematisk komplisert gaugeteori for disse partiklene. Det er en utvidelse av kvanteelektrodynamikk (QED) som gjelder for fotoner og elektroner, til kvantekromodynamikk (QCD) som beskriver hvordan kvarker og gluoner vekselvirker.

Referanser

Fysikk
Elektromagnetisme
Elementærpartikler