Po raz pierwszy powstało zdjęcie fotonu. Jak wygląda kwant światła?

Spis treści:

1. Jak wygląda foton?
2. Skomplikowana matematyka i model pokazujący foton
3. Wszystkie oblicza fotonu

Czym jest światło? To pytanie przez bardzo długi czas zaprzątało naukowców. Istniały bowiem dwie koncepcje wyjaśniające naturę światła. Pierwsza zakładała, że składa się ono z cząstek. Druga mówiła natomiast, że światło jest falą.

Wraz z rozwojem nauki przewagę zyskiwała to pierwsza, to druga teoria. Jednak dopiero na początku XX wieku uczeni wpadli na salomonowe, a przy okazji właściwe rozwiązanie. Przyczynił się do tego między innymi Albert Einstein. Dzisiaj uznaje się, że światło ma naturę korpuskularno-falową. W pewnych okolicznościach zachowuje się jak cząstka, w innych zaś jak fala. Albo – w innym ujęciu – jednocześnie jest i cząstką, i falą.

Czy to oznacza, że cząstkę światła można zobaczyć? Od niedawna – tak. Naukowcom udało się właśnie uzyskać obraz kwantu światła, czyli fotonu.

Jak wygląda foton?

Jak widać na zdjęciu ilustrującym ten artykuł, foton wygląda jak nieco rozmazana cytrynka, zawieszona w niebieskawej przestrzeni. Taki obraz uzyskali badacze z Uniwersytetu Birmingham, którzy opracowali nowatorską technikę pozwalającą im uchwycić foton. Opisali ją w pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.

Punktem wyjścia była próba odpowiedzi na pytanie, jak fotony oddziałują z materią. W jaki sposób powstają i czym wówczas tak naprawdę są? Naukowcy określili je jako wzbudzenie pól elektromagnetycznych, ściśle zależne od charakterystyk środowiska. – Geometria i właściwości optyczne otoczenia mają głębokie konsekwencje dla tego, jak fotony są emitowane, definiują ich kształt, kolor, a także prawdopodobieństwo, że będą istnieć – mówi prof. Angela Demetriadou, współautorka badań.

Skomplikowana matematyka i model pokazujący foton

Naukowcy wpierw zaczęli od matematyki. Wymyślili, jak skomplikowane równania opisujące pola elektromagnetyczne przekształcić w taki sposób, by mogły zostać rozwiązane przez komputer. W ten sposób powstał model, który opisuje interakcje między fotonem i emiterem oraz energię tych interakcji.

– Nasze obliczenia pozwoliły przekształcić coś, co wyglądało na nierozwiązywalny problem, w coś, co dało się policzyć. Ponadto, niejako jako produkt uboczny modelu, byliśmy w stanie uzyskać obraz fotonu. Czyli coś, czego jeszcze nigdy nie widziano w fizyce – powiedział dr Benjamin Yuen, pierwszy autor pracy.

Wszystkie oblicza fotonu

Uzyskanie obrazu fotonu ma duże znaczenie dla naukowców. – Praca ta pomaga nam, po pierwsze, lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią. A po drugie, analizować, jak światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia. Wiele z tych informacji było wcześniej uważane po prostu za „szum”. Jednak jest w nich wiele danych, które teraz możemy wykorzystać – mówi Benjamin Yuen.

Naukowiec podkreśla, że uzyskany obraz fotonu nie jest uniwersalny. Kształt cytrynki uzyskał proton wyemitowany z powierzchni nanocząstki w ściśle określonych warunkach. Gdyby modelować foton w innym otoczeniu, wynik byłby zupełnie inny. Ma to znaczenie dla nanofotoniki, nauki zajmującej się zachowaniem światła w nanoskali.

Zdaniem Yuena badania nad fotonami są ważne także dla chemików czy biologów. – Stworzyliśmy podstawy, które pozwolą nam projektować interakcje światło-materia dla przyszłych zastosowań. Takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe – uważa naukowiec.

Źródło: phys.org, Live Science, Physical Review Letters

Nasza autorka

Magdalena Salik

Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com