Foton jest jednym z najbardziej fundamentalnych obiektów fizyki, a jednocześnie pojęciem, które na pierwszy rzut oka wydaje się zaskakująco abstrakcyjne. To dzięki fotonom widzimy gwiazdy, działają światłowody, panele słoneczne i lasery, a struktura materii na poziomie atomowym może być badana z niezwykłą precyzją. Zrozumienie tego, czym jest foton, jak powstaje, jak się zachowuje i jakie ma znaczenie dla współczesnej technologii, prowadzi nas w samo centrum nowoczesnej nauki: od mechaniki kwantowej, przez fizykę ciała stałego, aż po kosmologię.
Narodziny pojęcia fotonu: od światła klasycznego do kwantów
Przez większą część historii nauki światło postrzegano jako falę. Eksperymenty Thomasa Younga z interferencją światła w XIX wieku potwierdziły falową naturę promieniowania: fale świetlne nakładają się, tworząc charakterystyczne prążki, co trudno byłoby wyjaśnić za pomocą cząstek. James Clerk Maxwell sformułował równania elektromagnetyzmu, pokazując, że światło to fala elektromagnetyczna rozchodząca się w próżni z określoną prędkością – prędkością, którą dziś oznaczamy jako c, prędkość światła.
Mimo ogromnego sukcesu teorii falowej pojawiały się jednak zjawiska, których nie dało się nią wyjaśnić. Najbardziej znanym z nich był fotoefekt – emisja elektronów z metalu oświetlonego promieniowaniem. Klasycznie oczekiwano, że im większa intensywność światła, tym większa energia wybitych elektronów. Eksperymenty pokazały jednak coś innego: poniżej pewnej częstotliwości światło nie wybijało elektronów w ogóle, niezależnie od natężenia, a ich energia zależała od częstotliwości światła, nie od jasności.
Przełom przyszedł w 1905 roku, gdy Albert Einstein, opierając się na wcześniejszych rozważaniach Maxa Plancka, zaproponował ideę kwantów światła. Według niego promieniowanie elektromagnetyczne nie jest ciągłe, lecz składa się z dyskretnych porcji energii. Każda taka porcja miała energię równą E = hν, gdzie h to stała Plancka, a ν – częstotliwość fali. Te porce świata nazwano później fotonami. Choć teoria Einsteina początkowo była traktowana z ostrożnością, po serii eksperymentalnych potwierdzeń foton stał się zaakceptowanym pojęciem w fizyce.
Od tego momentu światło zaczęto opisywać dwojako: jako falę i jako strumień cząstek. Ta dwoista natura doprowadziła do sformułowania podstaw mechaniki kwantowej i pojęcia dualizmu korpuskularno-falowego, mówiącego, że obiekty kwantowe, w tym fotony, mogą ujawniać właściwości zarówno falowe, jak i cząstkowe, zależnie od sposobu ich badania.
Właściwości fotonu: energia, pęd i dualizm
Foton jest najmniejszą, niepodzielną porcją promieniowania elektromagnetycznego. Można go opisać matematycznie równaniami teorii kwantów pól, ale pewne jego cechy da się zrozumieć w prostszy sposób. Kluczową wielkością jest energia fotonu, dana równaniem E = hν. Oznacza to, że im wyższa częstotliwość (czyli im krótsza długość fali), tym większa energia pojedynczego fotonu. Promieniowanie gamma ma więc znacznie bardziej energetyczne fotony niż światło widzialne, a to z kolei ma fotony bardziej energetyczne niż fale radiowe.
Foton niesie również pęd, mimo że jest cząstką bezmasową. Jego pęd można zapisać wzorem p = E/c. Efekty działania pędu fotonów obserwujemy na przykład w ciśnieniu promieniowania: światło wywiera nacisk na powierzchnie, które oświetla. Choć w warunkach ziemskich jest to efekt bardzo mały, w astronomii ma znaczenie – wiatr słoneczny i promieniowanie powodują powolne zmiany orbit niewielkich obiektów, a koncepcja żagli słonecznych opiera się właśnie na pędzie fotonów.
Jedną z najbardziej niezwykłych cech fotonu jest to, że zawsze porusza się z prędkością c w próżni. W odróżnieniu od cząstek mających masę spoczynkową, które mogą przyspieszać i zwalniać, foton nie istnieje w stanie spoczynku. Z punktu widzenia szczególnej teorii względności jest to konsekwencja faktu, że foton ma masę spoczynkową równą zero. Oznacza to również, że w żadnym układzie odniesienia nie można go “dogonić” – nie ma takiej zasady fizycznej, która pozwoliłaby obserwatorowi poruszać się razem z fotonem tak, aby widzieć go w bezruchu.
Dualizm korpuskularno-falowy fotonu można zilustrować na przykładzie eksperymentu z dwiema szczelinami. Gdy wysyłamy światło przez dwie blisko położone wąskie szczeliny, na ekranie za nimi powstaje obraz interferencyjny, typowy dla fal: jasne i ciemne prążki wynikające z nakładania się fal z obu szczelin. Jednocześnie, gdy przeprowadzimy eksperyment z bardzo słabym źródłem światła, emitującym pojedyncze fotony, na ekranie zobaczymy najpierw pojedyncze punkty, które z czasem utworzą dokładnie ten sam obraz interferencyjny. Każdy foton pada w konkretne miejsce jak cząstka, ale statystycznie układają się tak, jakby były falą. To właśnie kwintesencja dualizmu.
Foton ma także cechę zwaną spinem, charakterystyczną dla cząstek elementarnych. Spin fotonu wynosi 1 (w jednostkach zredukowanej stałej Plancka), co czyni go bozonem – cząstką podlegającą statystyce bozonowej. To dzięki temu bardzo wiele fotonów może istnieć w tym samym stanie kwantowym, co otwiera drogę do zjawisk takich jak koherencja i działanie laserów. Z punku widzenia obserwatora spin fotonu objawia się jako polaryzacja fali elektromagnetycznej: kierunek, w którym drga wektor pola elektrycznego.
Foton w ramach teorii kwantów pól i elektromagnetyzmu
Nowoczesny opis fotonu opiera się na kwantowej teorii pola, której wersją dotyczącą elektromagnetyzmu jest elektrodynamika kwantowa (QED). W tym podejściu pole elektromagnetyczne jest podstawowym obiektem fizycznym, rozciągającym się w całej przestrzeni. Foton nie jest po prostu “małą kulką światła”, lecz kwantem wzbudzenia tego pola – najmniejszą możliwą porcją jego energii. Podobnie jak fala na powierzchni wody może być opisana jako suma dyskretnych drgań, tak pole elektromagnetyczne może zostać rozłożone na zbiory wzbudzeń, z których każde odpowiada fotonowi.
W ramach QED fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych między naładowanymi cząstkami. Gdy elektron i proton oddziałują ze sobą, można to symbolicznie przedstawić jako wymianę wirtualnych fotonów – krótkotrwale istniejących kwantów pola elektromagnetycznego. Choć te wirtualne fotony nie są obserwowalne jako zwykłe cząstki, ich istnienie pozwala obliczać z niesłychaną dokładnością zjawiska takie jak przesunięcia poziomów energetycznych w atomach czy rozpraszanie cząstek w akceleratorach.
Elektrodynamika kwantowa jest jednym z najlepiej sprawdzonych eksperymentalnie modeli fizycznych. Przewiduje ona z ogromną dokładnością na przykład tzw. anomalię momentu magnetycznego elektronu, a wyniki pomiarów zgadzają się z obliczeniami na kilkanaście miejsc po przecinku. Tak spektakularna zgodność jest silnym potwierdzeniem, że opis fotonu jako kwantu pola elektromagnetycznego jest niezwykle trafny. Foton pełni tu podwójną rolę: jest zarówno “cząstką światła”, jak i “przekaźnikiem” oddziaływań elektromagnetycznych.
W standardowym modelu fizyki cząstek foton jest jednym z bozonów cechowania. Jego szczególną właściwością jest brak masy spoczynkowej, wynikający z symetrii cechowania U(1) związanej z ładunkiem elektrycznym. Symetria ta jest dokładna i niełamana, co sprawia, że foton pozostaje bezmasowy i zasięg oddziaływań elektromagnetycznych jest w zasadzie nieskończony (ograniczany jedynie przez praktyczne czynniki, jak absorpcja w materii czy rozszerzanie się wszechświata).
Jak powstają i jak znikają fotony
Foton nie jest cząstką niezmienną w czasie, która po prostu “istnieje gdzieś w przestrzeni”. W świecie kwantowym fotony nieustannie powstają i zanikają w rezultacie procesów emisji i absorpcji. Podstawowy przykład to atom o określonym poziomie energetycznym elektronów. Gdy atom znajduje się w stanie wzbudzonym – elektron jest na wyższym poziomie energii – może przejść do stanu niższego, emitując foton o energii równej różnicy między poziomami. Jest to tzw. emisja spontaniczna.
Istnieje również emisja wymuszona, kluczowa dla działania laserów. Jeśli na atom w stanie wzbudzonym zadziała foton o energii dokładnie odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych, może on spowodować przejście elektronu do niższego stanu, połączone z emisją dodatkowego fotonu. Oba fotony – pierwotny i wygenerowany – będą miały tę samą częstotliwość, fazę i kierunek propagacji. To zjawisko prowadzi do kaskadowego wzmacniania światła o ściśle określonych parametrach, co czyni promień laserowy tak wyjątkowo spójnym i intensywnym.
Z drugiej strony, fotony mogą być pochłaniane przez materię. Gdy energia fotonu odpowiada różnicy poziomów energetycznych w atomie lub molekule, może on zostać zaabsorbowany, podnosząc elektron na wyższy poziom. Czasem zgromadzona energia przechodzi w inne formy, np. w ciepło lub w promieniowanie o innej częstotliwości. To fundamentalne zjawisko leży u podstaw takich procesów jak fotosynteza, widzenie czy działanie ogniw słonecznych, w których konwersja energii fotonów na inne formy energii odgrywa kluczową rolę.
Na poziomie cząstek elementarnych fotony uczestniczą również w procesach tworzenia i anihilacji par cząstek. W pobliżu jąder atomowych o dużym ładunku, gdzie pola są bardzo silne, foton o odpowiednio wysokiej energii może przekształcić się w parę: elektron i pozyton. Odwrotny proces, gdy elektron i pozyton spotkają się, prowadzi do ich anihilacji i wytworzenia fotonów gamma. Zasady zachowania energii, pędu i ładunku elektrycznego są tu bezwzględnie przestrzegane, a fotony pełnią rolę “nośników” energii i pędu w tych reakcjach.
Foton a percepcja zmysłowa i biologia
Choć foton jest pojęciem zrodzonym w fizyce, jego znaczenie sięga głęboko w obszar biologii i nauk o życiu. Zmysł wzroku jest bezpośrednio oparty na zjawisku absorpcji fotonów w receptorach siatkówki. W ludzkim oku znajdują się czopki i pręciki, zawierające cząsteczki światłoczułych białek, takich jak rodopsyna. Gdy foton o odpowiedniej energii trafi w takie białko, inicjuje serię reakcji chemicznych prowadzących do powstania impulsu nerwowego, który mózg interpretuje jako obraz.
Eksperymenty wskazują, że pojedyncze pręciki potrafią reagować nawet na pojedyncze fotony, choć aby świadomie zarejestrować bodziec wzrokowy, zwykle potrzebna jest ich większa liczba, ze względu na szumy biologiczne i przetwarzanie sygnału w mózgu. To pokazuje, jak niezwykle czułe są nasze narządy zmysłów na dyskretne kwanty światła. W pewnym sensie percepcja wzrokowa jest zatem procesem kwantowym: każdy zarejestrowany sygnał ma swoje źródło w absorpcji konkretnego fotonu.
W świecie roślin fotony odegrają centralną rolę w fotosyntezie. Chlorofil i inne barwniki pochłaniają fotony światła słonecznego, wzbudzając elektrony i uruchamiając łańcuch reakcji chemicznych prowadzących do przetwarzania energii świetlnej na energię wiązań chemicznych. Badania z zakresu biofizyki sugerują, że w pewnych etapach transportu energii w kompleksach fotosyntetycznych mogą zachodzić procesy o charakterze kwantowym, z udziałem koherencji, w których energia fotonów jest przekazywana w sposób, który trudno opisać klasycznymi modelami.
Również w medycynie znaczenie fotonów jest ogromne. Techniki diagnostyczne, takie jak tomografia optyczna czy różne formy obrazowania fluorescencyjnego, wykorzystują fakt, że różne tkanki inaczej absorbują i emitują fotony o danych długościach fal. W terapii stosuje się lasery chirurgiczne, światłoterapię czy fotodynamiczne metody niszczenia komórek nowotworowych, w których absorpcja fotonów przez specyficzne cząsteczki prowadzi do reakcji chemicznych szkodliwych dla wybranych komórek.
Foton w technologiach informacyjnych i komunikacyjnych
Współczesna telekomunikacja w ogromnym stopniu opiera się na kontrolowanym przepływie fotonów. Światłowody, cienkie włókna szklane lub plastikowe, transportują impulsy świetlne na setki i tysiące kilometrów z niewielkimi stratami. W ten sposób możliwe jest przesyłanie ogromnych ilości danych – rozmów, filmów, dokumentów – z prędkościami rzędu setek gigabitów na sekundę. Foton, który propaguje się w światłowodzie, odbija się wielokrotnie w jego wnętrzu, podążając drogą wyznaczoną przez różnicę współczynników załamania między rdzeniem a płaszczem światłowodu.
Kluczowe jest tu wykorzystanie różnych długości fal światła w jednym i tym samym włóknie, co nazywa się multipleksacją falową. Każdy “kolor” światła, czyli pasmo częstotliwości, może nieść niezależny strumień danych. Dzięki temu infrastruktura oparta na światłowodach może skalować przepustowość bez fizycznego zwiększania liczby przewodów. Foton staje się więc podstawową jednostką przenoszącą informację w globalnej infrastrukturze cyfrowej.
W obszarze przetwarzania informacji pojawia się koncepcja komputerów fotonicznych, w których logikę i pamięć buduje się nie na ruchu elektronów, lecz na przepływie fotonów w układach optycznych. Zaletą są potencjalnie większe prędkości działania i mniejsze straty energii, ponieważ fotony nie odczuwają oporu materiału w taki sposób jak elektrony. Badania nad nanofotonicznymi układami scalonymi próbują zintegrować źródła, przewodniki i detektory fotonów w jednym chipie, co może doprowadzić do przełomu w architekturze komputerów.
Istotną dziedziną jest również optyka zintegrowana, w której elementy optyczne – modulatory, rozdzielacze wiązek, interferometry – są wbudowane w płytki krzemowe lub inne materiały półprzewodnikowe. Dzięki nim można sterować przepływem fotonów podobnie, jak tranzystory sterują przepływem elektronów. To otwiera drogę do ultraszybkich przełączników sieciowych i elementów do komunikacji między układami scalonymi, minimalizując opóźnienia i zużycie energii.
Foton, informacja kwantowa i kryptografia
Foton jest również kluczowym narzędziem w rozwijającej się dziedzinie informatyki kwantowej. Dzięki takim własnościom jak superpozycja i splątanie, pojedyncze fotony mogą przenosić nie tylko klasyczne bity informacji, ale też kubity – stany kwantowe, które mogą być jednocześnie kombinacją |0⟩ i |1⟩. W praktyce informację można kodować na przykład w polaryzacji fotonu: poziomej, pionowej lub ich superpozycjach.
Jednym z najbardziej zaawansowanych zastosowań jest kryptografia kwantowa, w której fotony wykorzystywane są do bezpiecznego rozsyłania kluczy szyfrujących. Zasada jest następująca: każdy akt pomiaru stanu kwantowego nieuchronnie go zaburza. Jeśli więc dwie osoby wymieniają klucz zaszyfrowany w stanach polaryzacji pojedynczych fotonów, to każda próba podsłuchu zmieni statystykę zarejestrowanych wyników, ujawniając obecność intruza. Taki protokół, znany jako BB84, został już wielokrotnie zrealizowany eksperymentalnie, zarówno w światłowodach, jak i w łączach satelitarnych.
Foton jest także wygodnym nośnikiem splątania kwantowego. Dwa fotony mogą być przygotowane w stanie, w którym ich polaryzacje są skorelowane w sposób niemożliwy do wyjaśnienia klasyczną statystyką. Pomiar jednego z nich natychmiast określa wynik pomiaru drugiego, niezależnie od odległości. Zjawisko to, potwierdzone wieloma eksperymentami testującymi nierówności Bella, jest podstawą wielu protokołów kwantowej dystrybucji klucza i teleportacji kwantowej stanów fotonów.
W technologiach skalowalnego przetwarzania kwantowego fotony są jedną z opcji budowy kubitów. Systemy fotoniczne są stosunkowo odporne na dekoherencję – zaburzenia stanu kwantowego przez środowisko – ponieważ fotony słabo oddziałują z materią. Jednocześnie utrudnia to ich kontrolę i implementację operacji logicznych. Trwają intensywne badania nad wykorzystaniem nieliniowych materiałów optycznych i układów rezonatorów, które umożliwiłyby realizację bramek logicznych pomiędzy fotonami, a tym samym budowę skalowalnych procesorów kwantowych.
Foton w kosmologii i astrofizyce
W skali kosmicznej fotony są podstawowym nośnikiem informacji o odległych obiektach. Gdy astronomowie obserwują galaktyki, gwiazdy neutronowe czy czarne dziury, w ogromnej większości analizują właśnie docierające do nas fotony – od fal radiowych po promieniowanie gamma. Widmo promieniowania, czyli rozkład intensywności w funkcji częstotliwości, pozwala określić temperaturę, skład chemiczny, prędkość i inne własności tych obiektów. Foton, który przebył miliardy lat świetlnych, niesie informacje o przeszłości wszechświata.
Jednym z najważniejszych zbiorów fotonów w kosmologii jest mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). To pozostałość po wczesnym, gorącym etapie ewolucji wszechświata, gdy fotony wielokrotnie rozpraszały się na swobodnych elektronach i protonach. Około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu temperatura spadła na tyle, że elektrony i protony połączyły się w neutralne atomy wodoru, a fotony mogły zacząć swobodnie przemieszczać się przez kosmos. Obserwowane dziś CMB to właśnie te fotony, które rozciągnęły się w wyniku rozszerzania się wszechświata do długości fal mikrofalowych.
Pomiar drobnych fluktuacji temperatury tego promieniowania z niezwykłą dokładnością umożliwił odtworzenie warunków panujących we wczesnym wszechświecie i stał się jednym z filarów współczesnej kosmologii. Foton pełni tu rolę “świadka historii” – jego energia, kierunek i polaryzacja kodują informację o gęstości materii, ciemnej materii i ciemnej energii w różnych epokach.
W astrofizyce wysokich energii fotony gamma powstają w najbardziej ekstremalnych zjawiskach: wybuchach supernowych, w pobliżu czarnych dziur i w zderzeniach promieni kosmicznych z materią międzygwiazdową. Obserwacje takich fotonów pozwalają badać procesy przyspieszania cząstek do energii niewyobrażalnych na Ziemi. Zjawiska takie jak rozbłyski gamma, należące do najbardziej energetycznych eksplozji we wszechświecie, są analizowane głównie poprzez rejestrowane strumienie wysokoenergetycznych fotonów.
Eksperymenty myślowe i filozoficzne konsekwencje natury fotonu
Natura fotonu, łącząca cechy fali i cząstki, rodzi wiele pytań o interpretację mechaniki kwantowej i strukturę rzeczywistości. Eksperymenty z pojedynczymi fotonami, interferencją i pomiarem prowadzą do sytuacji, w których intuicyjne pojęcia z fizyki klasycznej zawodzą. Na przykład w eksperymencie z opóźnionym wyborem (delayed-choice) rozstrzygnięcie, czy foton zachowuje się jak fala, czy jak cząstka, zależy od sposobu pomiaru wybranego po jego przejściu przez układ eksperymentalny. Wygląda to tak, jakby decyzja dokonana później wpływała na to, co “stało się” wcześniej.
Interesującym przykładem są również eksperymenty z “kwantowym gumowaniem informacji” (quantum eraser). Gdy informacja o drodze przebytej przez foton w układzie z dwiema szczelinami zostanie zarejestrowana, obraz interferencyjny zanika – jakby foton był cząstką. Jeśli natomiast tę informację “wymażemy” w odpowiedni sposób, interferencja może zostać przywrócona. Pokazuje to, że to, co nazywamy zachowaniem fotonu, nie jest prostą, klasyczną trajektorią, lecz złożonym procesem, w którym stan kwantowy i pomiar są nierozdzielne.
Takie zjawiska skłaniają do rozważań nad tym, jak opisywać rzeczywistość na poziomie fundamentalnym. Czy foton “jest” falą, czy cząstką? Dominujące podejście w fizyce nie przyznaje pierwszeństwa żadnemu z tych obrazów, uznając je za wzajemnie uzupełniające się opisy tego samego obiektu kwantowego. W interpretacji kopenhaskiej mówi się o komplementarności: wynik pomiaru zależy od tego, jakie pytanie zadajemy układowi. W innych interpretacjach, jak mechanika Bohma czy światy równoległe Everetta, natura fotonu jest opisywana odmiennie, ale wszystkie zgadzają się co do przewidywań eksperymentalnych.
Foton, będąc jednym z najprostszych obiektów kwantowych, jest więc jednocześnie bramą do najgłębszych pytań o strukturę świata: co to znaczy, że coś “istnieje” przed pomiarem, w jaki sposób informacja i rzeczywistość są ze sobą powiązane, oraz czy nasze klasyczne pojęcia czasu i przestrzeni są wystarczające do pełnego opisu natury.
Przyszłość badań nad fotonem i zastosowań fotoniki
W miarę jak zrozumienie natury fotonu staje się coraz głębsze, rośnie też liczba zaawansowanych technologii opartych na kontrolowanym generowaniu, manipulowaniu i detekcji pojedynczych fotonów. Dziedzina znana jako fotonika rozwija się dziś w tempie porównywalnym z tym, które przed kilkudziesięciu laty obserwowano w elektronice półprzewodnikowej. Prace nad miniaturyzacją źródeł fotonów – od diod laserowych po pojedyncze emitery kwantowe – umożliwiają integrację optyki na skalę mikro- i nanometrową.
Nowe materiały, takie jak kryształy fotoniczne, metamateriały i struktury topologiczne, pozwalają na kontrolę propagacji fotonów w sposób niedostępny w tradycyjnych układach. Można w nich na przykład tworzyć pasma zabronione dla określonych długości fal, prowadzić światło po z góry zadanych ścieżkach omijających defekty, czy też silnie wzmacniać oddziaływania nieliniowe potrzebne do generowania splątanych par fotonów. Dzięki temu możliwe jest tworzenie zintegrowanych źródeł fotonów kwantowych dla zastosowań w kryptografii i przetwarzaniu informacji.
Równolegle rozwijają się technologie detekcji fotonów, zdolne rejestrować pojedyncze kwanty światła z coraz wyższą wydajnością i coraz mniejszym szumem. Nadprzewodzące detektory nanodrutowe, fotopowielacze i matryce detektorów półprzewodnikowych stają się kluczowymi elementami instrumentów naukowych, teleskopów, systemów obrazowania medycznego i czujników środowiskowych. Możliwość niezawodnego wykrywania pojedynczych fotonów otwiera drogę do systemów komunikacji o ultraniskich mocach i do precyzyjnej metrologii kwantowej.
W dłuższej perspektywie badania nad fotonami mogą prowadzić do lepszego zrozumienia relacji między mechaniką kwantową a grawitacją. Choć foton sam nie ma masy spoczynkowej, jego energia oddziałuje grawitacyjnie. Zjawiska takie jak zakrzywienie toru fotonów w pobliżu masywnych obiektów czy przesunięcie ku czerwieni w polu grawitacyjnym są już dobrze potwierdzone. Jednak pełna teoria łącząca kwantową naturę pola elektromagnetycznego z kwantową teorią grawitacji jest wciąż przedmiotem intensywnych poszukiwań teoretycznych.
FAQ – najczęściej zadawane pytania o foton
Czy foton ma masę?
Foton ma masę spoczynkową równą zero, ale przenosi energię i pęd. W teorii względności energia i pęd są źródłami grawitacji, więc fotony “odczuwają” zakrzywienie czasoprzestrzeni i same do niej się przyczyniają. Dlatego światło zakrzywia się w polu grawitacyjnym masywnych obiektów, co potwierdzają obserwacje soczewkowania grawitacyjnego w astronomii. Mimo braku masy spoczynkowej foton ma realne, mierzalne skutki fizyczne.
Dlaczego foton zawsze porusza się z prędkością światła?
W szczególnej teorii względności cząstki bez masy spoczynkowej nie mogą istnieć w spoczynku; ich prędkość w próżni musi być równa c. Dla fotonu ta prędkość jest niezmienna w każdym układzie inercjalnym. Gdy mówimy o spowolnieniu światła w ośrodku, chodzi o efektywne zmniejszenie prędkości propagacji fali wskutek wielokrotnych oddziaływań fotonów z materią. Między zderzeniami foton nadal porusza się z c, ale proces absorpcji i reemisji wydłuża czas przejścia.
Czy można zatrzymać foton?
Nie można zatrzymać fotonu w sensie nadania mu prędkości zerowej, bo jako cząstka bezmasowa musi poruszać się z prędkością c w próżni. Można jednak “spowalniać” lub skutecznie zatrzymywać informację, którą niesie. W eksperymentach z tzw. pamięcią kwantową światło wprowadza się do ośrodka, gdzie jego stan kwantowy zostaje przeniesiony na atomy. Po pewnym czasie można go odtworzyć jako nowy impuls fotonów. Foton pierwotny znika, ale informacja o jego stanie zostaje zachowana.
Czym różni się foton od zwykłej “cząstki światła” w optyce klasycznej?
Optyka klasyczna opisuje światło jako falę elektromagnetyczną bez struktury kwantowej. Foton to pojedynczy kwant tej fali, najmniejsza niepodzielna porcja energii promieniowania. W wielu sytuacjach światło można traktować klasycznie, ale przy bardzo słabych sygnałach, w zjawiskach fotoelektrycznych, w laserach czy kryptografii kwantowej nie da się pominąć jego dyskretnej natury. Wtedy pełny opis wymaga mechaniki kwantowej i pojęcia fotonu jako cząstki.
Jak wykrywa się pojedyncze fotony?
Do detekcji pojedynczych fotonów używa się bardzo czułych urządzeń, takich jak fotopowielacze, nadprzewodzące detektory nanodrutowe czy specjalne diody lawinowe pracujące w trybie Geigera. Pojedynczy foton jest w nich absorbowany, wzbudzając elektron lub serię elektronów, co tworzy mierzalny impuls elektryczny. Układy te muszą być dobrze ekranowane przed szumem termicznym i innym promieniowaniem, a często chłodzone do niskich temperatur, by odróżnić sygnał fotonu od przypadkowych zakłóceń.
