Фотон — первая элементарная частица Вселенной

«И свет во тьме светит, и тьма не объяла его».

Евангелие от Иоанна 1:5

Эта работа синергия творческой мысли Игоря Мисюченко к.т.н. руководителя инновационного отдела ОК «РУСАЛ», Владимира Викулина инженера «МакроГрупп» и Игоря Дабахова члена правления «Международного фонда технологий и инвестиций».

В нашем пространстве не существует области, в которой нет материи, хотя бы виде волн, иначе мы об этой части Вселенной ничего не узнали бы. И это точно согласуется с мудростью Евангелия, так как из закона сохранения энергии следует, что, если тьма (пустое пространство) поглотит фотон, значит в ней присутствует атом, следовательно, эта область не пуста! И, со временем, фотоны, двигаясь со скоростью света, увеличивают нашу Вселенную и, если бы она не расширялась, — сбрасывать энергию было бы некуда, и её температура не снижалась бы с момента Большого взрыва, а вся материя существовала бы только в форме сверхгорячей плазмы и, следовательно, вещество не смогло бы находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии.

Электромагнитные волны

В 1672 г. Исаак Ньютон провел опыты с видимым светом и с помощью призмы разложил пучок белого света в спектр.

Таким образом, он создал рукотворную радугу. Это явление получило называние дифракция. Оно показывает, что видимый белый свет представляет собой набор пучков  волн разного цвета, различающихся своей частотой. Что это за волны? Долгое время физики считали, что световые волны представляют собой колебания особой среды – так называемого “светоносного эфира”, но, благодаря Максвеллу и Герцу было выяснено, что видимый нами свет – это электромагнитное явление.

 Для измерения характеристик волн инфракрасного, видимого и ультафиолетового диапазонов используются специальные высокоточные приборы – спектрометры. Именно с их помощью были спектры, излучаемыми атомами. Оказалось, что они имеют очень узкие спектральные линии, причём каждый тип атома имеет свой неповторимый “спектральный портрет”, что позволяет удаленно исследовать химический состав Солнца и далеких звезд, а также определять характеристики их движения.

Уравнения для электромагнитного поля (ЭМП) с введённым в них током смещения в вакууме были сформулированы Максвеллом в 1864 г.  Из его теории следовало существование электромагнитных волн (ЭМВ). Видимый свет рассматривался как участок спектра с определённым диапазоном длин волн. Данное утверждение первоначально основывалось на фактах совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн, а также выводом, что эти волны являются поперечными, как и световые. Эти выводы Максвелла были впоследствии подтверждены экспериментально.

Генрих Герц в 1886-1888 г. изобрел дипольный вибратор в качестве излучателя и специальный искровой детектор в качестве приемника электромагнитных волн, тем самым экспериментально доказал их существование, через 22 года после теоретического предсказания.

При изучении ЭМВ довольно быстро было обнаружено, что напряженности электрического и магнитного полей в ней меняются синфазно, что означает отсутствие энергообмена между этими двумя полями. В школьном курсе физики на такой досадной “мелочи” обычно внимание не заостряют. Тем не менее, закон сохранения энергии требует, чтобы в любой точке волны сохранялась полная энергия, равная сумме ее кинетической и потенциальной составляющих. Так как за потенциальную часть энергии волны отвечает напряженность электрического поля E, параметром, отвечающим за кинетическую энергию, как раз и является введенный Максвеллом ток смещения, представляющий собой колебательные движения зарядовых плотностей в направлении, поперечном движению волны. А магнитную составляющую ЭМП можно (и нужно) рассматривать как релятивистский эффект, возникающий при движении электрического поля.

Плотность энергии электрического поля хорошо известна W_E = ε₀^.E²/2, плотность тока смещения имеет тот же смысл и размерность, что и плотность тока проводимости в проводнике  и выражается как W_j = ε₀^.E²/2. Тогда плотность энергии такой плоской синусоидальной ЭМВ в каждой точке пространства м в каждый момент времени будет равна W = W_E + W_j = ε₀^.E²,  что полностью согласуется с законом сохранения энергии. Поскольку магнитная составляющая ЭМВ линейно зависит от электрической компоненты, её можно исключить из рассмотрения, как лишнюю сущность, ничего нового в описание явления не привносящую, более того, приводящую к видимому нарушению Закона сохранения энергии. Таким образом ЭМВ – это не волна электрического и магнитного полей, а волна поляризации D = ε₀^.E и, связанного с её изменением во времени, тока смещения j = ∂D/∂t.

Еще одним недостатком классического изображения электромагнитной волны является её одномерность – график показывает ее распространение вдоль какого-то одного направления, тогда как в реальности она представляет собой сложное трехмерное электромагнитное явление, изобразить которое весьма непросто.

Типы электромагнитных излучений

Всем видам электромагнитных волн присущи общие характеристики:

• Во-первых, ЭМВ распространяется от своего источника со скоростью распространения света в данной среде.
• Во-вторых, после излучения, ЭМВ становится полностью независимой от своего источника.
• В-третьих, ЭМВ переносит энергию и импульс.

Вместе с тем, ЭМВ имеют существенные отличия. Главное из них – частотный спектр. Он может быть непрерывным, дискретным либо смешанным. Волны, имеющие одну постоянную частоту, называются монохромными.

Второе существенное отличие – направление излучения. Оно может меняться от сферического (т.е. излучаемого во все стороны) до сверх-узконаправленного. Кроме того, волны различаются по своей поляризации и ряду других признаков.

Чтобы получить электромагнитную волну, необходима излучающая система, например радиопередатчик, но и простой фонарик тоже подойдет. При огромном различии излучающих систем, все их можно свести к диполю либо совокупности диполей (квадруполи, мультиполи). Причем интенсивность (мощность) излучения оказывается пропорциональна третьей производной от координаты движущихся в излучаемой системе носителей заряда (называемой в физике “рывок”). Следовательно, если ускорение происходит без рывка (например, при движении по круговой орбите), то и энергия излучения равна нулю, иначе нарушался бы третий закон Ньютона. Таким образом, постулат Нильса Бора о том, что ускоренный электрон на стационарных атомных орбитах не излучает, попросту не нужен, т.к. если на стационарной орбите он движется с ускорением, но без рывка, то никакого противоречия с классической физикой здесь нет! А вот при переходе с орбиты на орбиту неизбежно возникает рывок, который и порождает излучение.

В некоторых случаях может показаться, что отдельный электрон (или их совокупность) всё же излучает. Пример — обычная штыревая антенна. Где же здесь диполь? Оказывается, он есть, просто функцию второго плеча выполняет сама Земля, в которой формируется “виртуальное отражение” излучающей штыревой антенны. Похожая картина возникает и в магнетроне, где вроде бы движутся одиночные электроны. Однако вокруг электронов находятся проводящие стенки магнетрона, в которых точно также возникают электростатические изображения, с которыми они и образуют диполи. Заметим, что все наблюдаемые случаи излучения движущимся зарядом происходят в тех или иных вещественных системах, которые в свою очередь состоят из огромного количества элементарных зарядов.

Со временем были открыты различные виды электромагнитных волн:

1. Радиоволны — с энергией, затухающей обратно-пропорционально квадрату расстояния до источника.
2. Синхротронное излучение, возникающее при движении заряженных частиц с релятивистской скоростью по криволинейной траектории. Причина этого излучения заключается в ограничении скорости движения любых объектов скоростью света. Аналогичную природу имеет тормозное излучение заряженной частицы, которое происходит при её рассеянии (торможении) в электрическом поле атомного ядра и излучение Вавилова — Черенкова.

3. Аннигиляционный гамма-квант, получаемый в реакции превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях, сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния (позитрония) эта реакция даёт в конечном состоянии два гамма-кванта, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары, при этом рождаются в основном адроны.

4. Фотоны — частицы излучаемые при квантовых переходах электронов в атомах с более высокоэнергетического уровня на низкий и при синхротронном излучении.

Современная наука считает, что излучаемые атомами фотоны изначально имеют квантовую природу (т.е. энергия излучается отдельными неделимыми порциями). Однако возможно и другое представление, а именно, что энергия излучения разбивается на порции (кванты) именно за счет конечности времени перехода электрона в атоме с одной стационарной орбиты на другую. В этом случае фотоны и, скажем, импульсы, излучаемые радарами, принципиально ничем не отличаются.

Частица, отвечающая за взаимодействия во Вселенной

Слово «фотон» появилось в обиходе физиков в 1926 году, через двадцать лет после теоретического предсказания существования этой частицы Альбертом Эйнштейном, который расширил идею Планка, предположив наличие «квантов света». Фотоны обладают строго определённой энергией, зависящей исключительно от частоты. Так что, синие кванты имеют больше энергии, чем кванты красного света. Мощный источник излучения испускает много квантов, соответственно спектру его излучения, но энергия каждого из них остаётся той, которая соответствует его частоте. Эйнштейн объяснил, что, поскольку при фотоэффекте электрон выбивается одним квантом, фотоэлектрический эффект зависит от величины энергии (и, следовательно от частоты) этого отдельного кванта, а не от мощности источника в целом. Именно объяснение природы фотоэффекта и его экспериментальное подтверждение, а не Общая теория относительности, принесло А. Эйнштейну Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Фотон — элементарная частица света с помощью которой материя обменивается энергией, её наименьший возможный пакет, самая распространенная во Вселенной. Большая часть взаимодействий происходит исключительно благодаря фотонам… Фотоны повсюду!

Фотон — материальный объект, обладающий особыми свойствами. Он проявляет качества и волны, и частицы. Это объект локализованный, и не делящийся на составные части. В настоящее время не обнаружено взаимодействие фотонов друг с другом, но экспериментально показано образование интерференционной картины при взаимодействии одиночного фотона с самим собой. Энергия фотона передается порциями (квантами) пропорционально его частоте, с коэффициентом, называемым постоянной Планка h. Так же он обладает импульсом, что доказывается явлением давления света на вещество. Фотон постоянно движется со скоростью света и не имеет массы покоя, но обладает “динамической” массой, равной m_f = h^.𝒗/с². Все вышесказанное позволяет рассматривать его и как частицу, а точнее, как псевдо-частицу.

Официальная наука объявляет фотон истинно нейтральной частицей. Однако, при этом возможна смена направления и поляризации, что допустимо только под действием электрических полей, формируемых электронами и протонами среды из состава ядер.

Если рассматривать свет как поток частиц, а не волну, такие вещи, как фотоэффект, объяснялись очень хорошо, но как же быть с дифракцией? Ведь её можно объяснить только в том случае, если бы свет был волной, а не частицей. Решение этого парадокса было найдено позже, в квантовой физике, в гипотезе о корпускулярно-волновом дуализме света.

Фотон в рамках Стандартной модели частиц является бозоном, имеет целочисленный спин равный единице (более точно — спиральность). Согласно  Стандартной модели, виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Более того, фотоны, являясь бозонами, могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, а это означает, что может быть много фотонов, «делающих одно и то же». Именно поэтому, существует фотонный лазер, а электронный аналог построить невозможно.

Поскольку фотоны в любой системе отсчета движутся со скоростью света, для них не существует времени. Согласно Теории относительности, локальное время, которое он испытает от момента испускания одним атомом до поглощения другим, даже если они будут удалены на сто миллионов световых лет друг от друга, будет равно 0. (т.е. расстояние, которое фотон пролетит между двумя атомами, измеренное в его системе отсчёта, из-за релятивистского сокращения длины будет … равно нулю!).

Тем не менее, частота фотона зависит от характеристик физического вакуума, в котором он находится, в частности от потенциала гравитационного поля. В зависимости от того, движется ли он по градиенту поля или против, возникает так называемое “гравитационное красное/синее” смещение.

Согласно Эйнштейну, эквивалентность между массой и энергией означает, что если атом испускает фотон, то теряет некоторую массу и наоборот. Некоторые кванты света имеют очень долгую жизнь, излучаемые звездой, живущей в космосе миллиарды лет. У других, инфракрасных фотонов излучаемых Вашим телом, жизнь очень короткая, около стомиллионной доли секунды им потребуется, чтобы достигнуть стены комнаты, в которой Вы находитесь и поглотиться её атомами.

Типичный фотон видимого света имеет энергию около 0,00000000000000001 Дж,что представляет собой чрезвычайно малую величину. Тем не менее, человеческий глаз способен регистрировать даже одиночные фотоны.

Распространение электромагнитных волн и их переизлучение

Будучи излученным, фотон движется со скоростью света, пока не достигнет атома вещества, который его поглотит. Поглощение может начаться еще до того, как он будет полностью излучен, а может произойти и через миллионы лет на другом краю галактики.

При движении излученный квант подвержен влиянию гравитации, но она влияет на него иначе, чем на частицы, имеющие массу покоя. А именно, как было сказано ранее, в потенциале гравитационного поля фотон немного меняет частоту и искривляет траекторию движения. Так же фотон характеризуется поляризацией и спином (точнее — спиральностью).

Эффект гравитационной линзы, возникающий из-за огибания фотонами тел, создающих градиент электрической проницаемости космоса.

Поскольку фотон в всегда излучается и принимается целиком, имеется огромное количество оптических явлений, где лучи света распространяются как единое целое, а кванты в них постоянно меняются. Все явления отражения, прохождения через прозрачные среды, преломления в них, основаны на том, что “входящий” фотон поглощается атомами вещества, а вместо него ими же испускается фотон той же частоты, но с другими характеристиками, например, имеющий иное направление движения. Все световые явления в материальных средах связаны с процессами переизлучения, на которые затрачивается дополнительное время. Поэтому скорость света в материальных средах ниже, чем в физическом вакууме, что заметно на примере сияния бриллиантов.

Эффект прохода одного фотона через две щели предлагаем толковать так: фотон прошел через одну щель, через вторую прошла вторичная волна, которую он инициировал. Наблюдать непосредственно за элементарными частицами сложно, так как своим наблюдением мы меняем их поведение. Недавно появилась ещё одна загадка — эксперимент квантового ластика с отложенным выбором, по сути сильно усложнённый эксперимента с двумя щелями.

Атом, как излучающая антенна

Считается, что излучение и поглощение фотонов – чисто квантовые явления, которые невозможно описать классической физикой. Попытаемся, все же сделать такую попытку.

Примем за гипотезу, что переход электрона с одной стационарной орбиты на другую занимает конечное время, за которое  и излучается квант синусоидальной электромагнитной волны. Тогда только за счет конечности времени излучения, ее спектр будет не дельта-функцией (как у бесконечной по времени монохроматической волны), а некоторой гауссовой кривой, хотя и довольно острой. Ширины спектральных линий, излучаемых атомами, известны из спектрометрических измерений. Следовательно, по ним можно оценить время испускания одиночного фотона.

Фотон представляет собой сверх-узконаправленную электромагнитную волну, а именно, луч толщиной порядка длины волны излучения. Это элементарно следует из того, что мы видим свет, испущенный звёздами, удалёнными на миллиарды световых лет. Длина фотона так же конечна и равняется скорости света, умноженной на время излучения. Это следует из существования «естественной ширины спектральных линий» света, излучаемого атомами вещества. По этой ширине можно определить, что, например, видимый свет излучается атомом за время, составляющее порядка 𝜏 = 10^-8с. А это, в свою очередь, свидетельствует о том, что передний фронт фотона отстоит от заднего фронта на расстояние 𝐿 = 𝑐 ∙ 𝜏. Расчеты показывают, что длина кванта для видимого света составляет порядка трёх метров.

Для других диапазонов электромагнитного спектра эта длина существенно разнится, при этом разница может составлять несколько порядков. Различие длин фотонов с одинаковой энергией особенно заметно на примере серии Лаймана ультрафиолетового диапазона в атоме водорода. Исходные данные для таблицы (время излучения фотонов) взяты из базы данных Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2023). NIST AtomicSpectra Database (ver. 5.11).

Получается, что квантовая частица микромира имеет макроразмер? Причем фотоны с одинаковой частотой (и, следовательно – энергией) могут по размеру отличаться в 100 раз! Официальная наука об этом не говорит! Так и не придя к общему мнению, ученые решили «спрятать голову в песок» от противоречий и в «общепринятом», современном представлении фотон вообще не имеет размеров.

Фотоноплотность

Как показано в таблице, экспериментально зафиксированы фотоны одинаковой энергии, но с разной шириной спектральных линий и, следовательно, они различаются временем излучения. Выходит, что, такие частицы имеют разную плотность энергии. В современной физике элементарных частиц определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд, масса и спиральность. Но, получается, что, используя общепринятые характеристики свойств фотонов нельзя различить частицы света, имеющие одинаковую длину волны, но разную плотность энергии. Предлагается назвать эту характеристику фотоноплотностью.

В заключение можно сделать вывод, что используемая сейчас модель фотона, учитывающая только его энергию, является неполной. Учет же фотоноплотности, возможно, найдет практическое применение при передаче данных по оптическим каналам связи. Поскольку кванты света между собой не взаимодействуют, можно использовать один и тот же оптический канал для передачи одновременно фотонов разной плотности. Если научиться различать такие фотоны, то можно будет существенно увеличить количество передаваемой информации по уже существующим каналам оптоволоконной связи.

_____________________________________________________________________

Эксперименты визуализации фотонов

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии опубликовали полученные результаты в журнале Nature Communications. Фотографию частицо-волн света удалось получить с помощью новой экспериментальной техники, использующей электроны, которые улавливают движение фотонов – так называемые поляритоны.

В ходе эксперимента физики наблюдали за небольшой серебряной нанонитью, которую периодически облучали короткими лазерными импульсами. После каждой такой вспышки в нити появлялись поляритоны, за которыми следили авторы исследования, бомбардируя их пучками электронов из микроскопа. В зависимости от состояния поляритонов, электроны или ускорялись или замедлялись, что позволило физикам впервые увидеть как ведут себя фотоны света, будучи одновременно и волнами и частицами.

Видео движущихся фотонов, созданных камерой UV-CUP. Эти визуальные эффекты УФ-импульсов, показывающие движение фотонов в реальном времени, были получены командой ученых с помощью компактного устройства со скоростью обработки изображений 0,5 триллиона кадров в секунду.

Почему бы не исследовать волновую функцию запутанных фотонов, пока они вместе решили ученые? — На помощь пришла квантовая томография. Это много-много разных измерений одного и того же квантового объекта, которые дают разные состояния, суммирующиеся в общую картинку. Как при томографии, когда по фотографиям отдельных сечений можно построить трёхмерную картинку внутреннего строения тела.

Ранее проведенные эксперименты с квантовым томографированием показали, что описание или измерение многомерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занимать часы или даже дни. Кроме того, результаты этих экспериментов очень чувствительны к шуму и зависят от сложности экспериментальной установки.

Подход к измерениям в квантовой томографии можно представить как рассмотрение теней многомерного объекта, проецируемых на разные стены с разных направлений. Исследователь видит только эти тени и на их основе делает выводы о форме или состоянии всего объекта.

В классической оптике есть способ реконструкции трехмерного объекта известный как цифровая голография. Он основан на записи одного изображения полученного путем интерференции света, рассеянного объектом, с эталонным светом.

Реконструкция бифотонного состояния требует наложения его на, предположительно, хорошо известное квантовое состояние, а затем анализа пространственного распределения положений, в которые одновременно приходят два фотона. Изображение одновременного прихода двух фотонов известно как изображение совпадения. Эти фотоны могут исходить от эталонного источника или неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотонов не может быть идентифицирован.

Это приводит к интерференционной картине, которую можно использовать для восстановления неизвестной волновой функции. Этот эксперимент стал возможен благодаря усовершенствованной камере, которая записывает события с наносекундным разрешением для каждого пикселя.

Представим себе атом сильно разогретого вещества — в нем будет сосредоточена огромная энергия, вокруг ядра будет быстрое движение электронов с невероятной частотой и амплитудой колебаний. Вокруг каждого электрона — огромное количество точек поля (намного меньше самого электрона), которые тормозят колебания электрона своей инертностью, принимая на себя часть колебаний электрона. Как мы помним, — фотон является волной в этом поле, и чем большая энергия заключена в колебаниях электрона — тем больше будет амплитуда колебаний этих волн, получается, такой атом будет испускать во все точки пространства множество фотонов всех возможных длин волн, что мы и наблюдаем, глядя на звезды.

Чем ограничен спектр? не существует волн с частотой меньше 1 Гц?

Тезисы

1. Все известные в физике волны, кроме электромагнитных (ЭМВ), соответствуют закону сохранения энергии в каждой точке пространства, иными словами: энергия в волне периодически переходит из потенциальной формы в кинетическую, но полная плотность энергии остаётся всюду и всегда постоянной.
2. Стандартные представления об ЭМВ как о волне электрического и магнитного поля резко нарушают ЗСЭ, поскольку магнитная 𝐵 и электрическая 𝐸 компоненты ЭМВ синфазны, а плотность энергии 𝑤 пропорциональна 𝑤~(𝐵² + 𝐸²), т.е. периодически достигает максимума, затем сходит в ноль (в никуда), и затем снова появляется из нуля (из ниоткуда). Это ненормально и противоречит фундаментальным представлениям физики.
3. Проблема классического представления об ЭМВ заключается в том, что в этом
   представлении используется понятие о самостоятельной, ни к чему не сводимой
   субстанции «магнитное поле», тогда как с появлением СТО в 1905 году науке известно, что все «магнитные» явления — это просто релятивистские эффекты, связанные с движением электрического поля, т.е. никакого особого «магнитного поля» в природе не существует.
4. Легко показать, что использование магнитной составляющей 𝐵 в классическом описании ЭМВ является вообще избыточным, так как в случае движения электрического поля 𝐸 регистрируемая условно-неподвижным наблюдателем магнитная индукция 𝑩 = 𝒗 × 𝑬/𝑐2, а при скорости 𝑣 равной скорости света 𝑐 (а именно с такой скоростью движется ЭМВ) 𝐵 =𝐸/𝑐. То есть как только мы знаем 𝑬, скорость 𝒗 и направление его движения, так мы автоматически однозначно знаем 𝑩, у него нет никакой свободы выбора. Таким образом, движение пространственно — периодического электрического поля 𝑬 со скоростью 𝒄 автоматически превращает это обычное электрическое поле в ЭМВ. Таким образом ЭМВ можно рассматривать просто как пространственно-периодическое электрическое поле, движущееся в определённом направлении со скоростью света. Такую модель (в духе В. Ритца) можно назвать баллистической моделью ЭМВ. Она описывает ЭМВ как механическое движение неких «виртуальных диполей» вакуума со скоростью света в
   определённом направлении. Данное представление вообще не является волновым, так
   как ничего не говорит о процессах взаимного превращения энергии.
5. На основе баллистической модели ЭМВ можно построить и непротиворечивую волновую модель, если вспомнить, что электрическое поле движется не в абстрактной «пустоте», а в реальном физическом вакууме, т.е. в диэлектрической сплошной среде. При этом в каждой точке вакуумной среды под действием электрического поля 𝑬 возникает электрическое смещение 𝑫 = 𝜀𝜀₀𝑬. Поскольку при движении электрического поля 𝑬 смещение 𝑫 постоянно изменяется в каждой точке пространства с течением времени, то согласно уравнениям Максвелла, в данной точке возникают токи смещения с плотностью 𝒋 = 𝜕𝑫/𝜕𝑡 ⟹ |𝑗| = 𝜔𝐷, где 𝜔 = 2𝜋𝜐, т.е. круговая частота. Очевидно, что для синусоидально изменяющегося 𝑫 плотность токов смещения 𝒋 будет сдвинута относительно него во времени на 90°. С электрическим смещением связана некая плотность потенциальной энергии 𝑤_𝑝 = 𝐷²/2𝜀𝜀₀ (это энергия электрической поляризации среды), а с токами связана некая плотность кинетической энергии 𝑤_𝑘 = 𝜌𝑗² =𝜔²𝐷²/2𝜀𝜀₀𝜔² = 𝐷²/2𝜀𝜀₀ (так как ток – это всегда движение каких-то электрических зарядов, пусть даже связанных, как в диэлектриках, а не свободных, как в проводниках). Причём, как мы уже выяснили, эти плотности энергии одинаковы по амплитуде, изменяются во времени для каждой точки пространства и сдвинуты друг относительно друга на 90° по фазе. Это автоматически означает что полная плотность энергии сохраняется 𝑤 = 𝑤_𝑘 + 𝑤_𝑝 = 𝐷²/𝜀𝜀₀ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (так как сумма квадратов синуса и косинуса это константа). Ну в самом деле, когда смещение 𝐷 становится равным нулю (узел смещения), то его производная по времени 𝒋 = 𝜕𝑫/𝜕𝑡 как раз
   становится максимальной (пучность тока смещения), и наоборот. То есть энергия
   электрического смещения в ЭМВ постоянно переходит в энергию токов смещения и
   обратно. Отметим, что такая волна является поперечной, в том смысле, что направление её распространения перпендикулярно и вектору поляризации, и вектору плотности тока.
   Вот это уже – описание настоящей волны, такой же как все волны в Природе и не
   нарушающей никакие законы сохранения. При этом никакие понятия о «магнитном поле» не используются.
6. Как известно из истории физики, понятие о фотоне, т.е. одиночном кванте (минимальной порции) электромагнитного поля, было введено в начале XX века и первоначально являлось вспомогательным. Фотон имел многие свойства как частицы, так и ЭМВ и воспринимался как виртуальная частица (подобно фононам, дыркам и другим псевдочастицам), т.е. как просто удобное модельное представление, а не реальная элементарная частица. Постепенное «забывание» об исходной «виртуальности» фотона завершилось только к концу 70-х годов XX века и его начали воспринимать как реальную элементарную частицу, в качестве каковой она и входит в современную Стандартную модель. В то же время на сегодня не существует ни одной сколь-нибудь удовлетворительной картинки, наглядно и адекватно изображающей «фотон». Не принято говорить о геометрических размерах фотона, его форме, распределении его компонент в пространстве. Все соглашаются, что в основе фотона лежит некая ЭМВ или совокупность ЭМВ, но каким образом у него возникают корпускулярные свойства, квантовые свойства, вроде спина, как он сохраняет свою целостность неограниченное время – остаётся невыясненным. В то же время, все вещественные элементарные частицы являются одинаковыми, сделанными «под копирку», а вот «фотоны» — все разные, так как они различаются по частоте, которая не считается квантованной. Т.е. разных электронов не бывает, они все одинаковые, а вот разных фотонов – бесконечно много. Такая ситуация как минимум выглядит подозрительной в XXI веке.
7. В то же время экспериментальных фактов, связанных с фотонами на сегодня уже очень
   много и ряд из них вполне позволяет сделать выводы о геометрии фотона. Известно, что одиночный атом вакууме испускает фотоны не ровно какой-то одной регистрируемой аппаратурой частоты, а занимающие некую узкую полосу частот, которая называется «естественной шириной спектральных линий». Это явление связано с конечной длительностью процесса испускания фотона атомом, которая составляет порядка 𝜏 = 10⁻⁸ сек. То есть в какой-то момент атом начал испускать фотон, продолжил и через какое-то время закончил (электрон свалился на нижележащую атомную орбиту, потратив часть своей энергии на излучение). То есть у испускаемой конечное время ЭМВ есть голова, тело и хвост, поскольку, как только начался процесс испускания, так ЭМВ пошла распространятся со скоростью света в каком-то направлении. Легко оценить длину такой волны, т.е. длину фотона 𝐿 = 𝑐 ∙ 𝜏 = 3 ∙ 10⁸ ∙ 10⁻⁸ = 3 метра. Ого! А какова тогда его ширина? Известно, что радиус минимального пятна лазерной фокусировки для фотонов видимого диапазона достигается порядка 1 мкм. Следовательно, одиночный фотон не может быть шире этого размера. А этот размер как раз соответствует примерно одной — двум длинам волн. То есть видимый фотон можно изобразить как волос, длиной около 3-х метров и толщиной около микрона. Получается, что это вообще никакая не микрочастица, у фотона вполне себе макроскопические размеры!
8. Что такое поляризация и спин фотона? Поскольку фотон, как мы показали, это есть
   направленный очень узкий и довольно длинный импульс ЭМВ, а у ЭМВ наблюдается
   поляризация, то ничто не мешает и фотону иметь поляризацию (линейную, круговую или эллиптическую), что соответствует опытным фактам. Тут всё знакомо и понятно. Тогда что же такое «спин» фотона? Вспомним, чем излучается ЭМВ фотона: атомом (пусть это будет простейший атом водорода). Электрон и протон атома водорода представляют собой электрический диполь. Но электрон в процессе излучения совершает огромное количество оборотов вокруг ядра-протона. И пока он вращается, одновременно приближаясь к ядру, то соответственно постоянно поворачивается и вектор 𝑫 испускаемого им фотона, так как ЭМВ излучается поперёк диполя, а диполь 𝑒 − 𝑝 постоянно вращается. То есть вектор поляризации 𝐷 не только меняется по амплитуде, но и постоянно поворачивается в пространстве, причём много-много раз за один период волны. Если бы мы вращали наши самые обычные дипольные макроскопические антенны во время излучения, то мы бы получили бы подобную структуру испускаемой ими ЭМВ. Это и есть «спин», то есть механическая вращательная компонента ЭМВ фотона.
9. Хорошо известна и изучена зависимость энергии фотона 𝑊 от его частоты 𝑊 = ℎ𝜐, где ℎ – постоянная Планка. Но эта зависимость принимается просто как факт, её считают неким богоданным свойством фотонов. Механизм возникновения столь жесткой связи между энергией и частотой фотона неизвестен современной науке. В то же время энергия обычных электромагнитных волн считается зависящей от их амплитуды, а не от частоты. В самом деле, на какой бы частоте не излучала ЭМВ радиостанция, излучаемая ею мощность никак не зависит от частоты, а полностью определяется напряжённостью электрического поля антенны (разумеется, при всегда согласованной и эффективной для данной частоты антенне). Вспомним теперь размеры фотона (1 мкм толщины х 3 м длины) и размеры, например, атома водорода (порядка 10^-10 м). Разница между длиной волны фотона и размером атома составляет 4 порядка. Т.е. атом, как излучатель ЭМВ – это фантастически малый «диполь Герца». Такие короткие излучатели крайне неэффективны, мощность их излучения 𝑃 (при постоянной амплитуде возбуждения) пропорциональна квадрату отношения длины диполя 𝐿 к длине волны 𝜆, 𝑃~ (𝐿/𝜆)². Энергия излучения диполя равна мощности излучателя, умноженной на время его работы 𝑊 = 𝑃 ∙ 𝑡. Что такое время работы? Это время жизни электрона τ в возбуждённом состоянии атома. По мере удаления электрона на более высокую орбиту растёт размер диполя 𝐿 и увеличивается его время жизни на этой орбите 𝜏~𝜎𝐿^𝛼. Тогда, опуская несущественные детали, можем записать 𝑊 = 𝑃 ∙ 𝑡~ (𝐿/𝜆)² ∙ 𝜎𝐿^𝛼~𝜎 (𝐿^𝛼+2/𝜆) 𝑐 ∙ 𝜐~ℎ𝜐. Получается, что амплитуда ЭМВ фотона весьма сильно зависит от длины волны: для более коротких длин волн время излучения намного дольше, длина фотона и его объём намного больше, а амплитуда, соответственно намного меньше. То есть два фотона, одной частоты, но излучённые разными переходами разных атомов будут иметь одинаковую энергию (по формуле Планка), но совершенно разную геометрическую длину и электрическую амплитуду ЭМВ.
   То, что нам кажется совершенно одинаковым – на практике очень существенно
   различается!
   
10. Теперь рассмотрим свойство фотона сохранятся фактически неограниченное время. Все обычные ЭМВ, испускаемые макроскопическими источниками, постепенно расходятся в пространстве, как бы мы не старались сузить диаграмму излучения антенны. Соответственно, их амплитуда (и плотность энергии) убывает по мере удаления от излучателя. С фотонами всё не так: они способны двигаться в вакууме миллионы лет, сохраняя свои импульс и энергию. Как это возможно? Только в одном случае: виртуальные диполи электрического смещения 𝑫 в ЭМВ фотона «выброшены» атомом строго в одном направлении с нулевой шириной апертуры. Ну, а после того как они выброшены со световой скоростью – время для них остановилось, соответственно, они не могут за конечное время ни сами как-то измениться, ни изменить направление своего движения. Это, кстати, не означает, что с фотоном вообще ничего не происходит. Он, например, может удлиняться, растягиваться, при этом амплитуда его ЭМВ будет падать, а полная энергия всё равно сохранится. Заметим мы такие метаморфозы фотонов? Нет! На сегодня мы не умеем этого делать, так как мы не различаем фотоны по этим характеристикам. Вещество наших датчиков поглотит два разных по геометрическим размерам фотона абсолютно одинаково, если их энергия одинакова.

Источники:

1. Кужир П.Г, Юркевич Н.П., Савчук Г.К. / Спектр атома водорода / БНТУ Минск 2011г.
2. Фотон: ужас, летящий на крыльях пространства и поля
3. Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2023). NIST AtomicSpectra Database (ver. 5.11)
4. Ефимков В.Ф., Зубарев И.Г., Крохин О.Н., Михайлов С.И. / О размере и области локализации фотона / Краткие сообщения по физике ФИАН №1 за 2019 г.