Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 11 – vyšlo 15. března, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

11/2024

Říkají mi foton...

Petr Kulhánek

Se slunečním světlem se člověk setkává od počátku existence. Přijít na kloub tomu, co světlo vlastně je, se snažila řada učenců. V sedmnáctém století vrcholily snahy popsat světlo jako proud částic, či jako vlnění, a tyto zdánlivě protichůdné názory rozdělily fyziky na dva nesmiřitelné tábory, aby se nakonec ukázalo, že obě dvě strany mají částečně pravdu. S názory na světlo zatřásla Maxwellova elektrodynamika, z níž vyplynulo, že se světlo ve vakuu musí za všech okolností šířit stejnou rychlostí, tedy že se pohybuje stejně rychle ve všech souřadnicových soustavách. Tato skutečnost vedla ke zrodu speciální relativity, která dává klasickou mechaniku do souladu s elektromagnetickými jevy. Kvantová teorie s sebou o něco později přinesla představu světla složeného z kvant energie, která jsou nelokální a jejichž vlastnosti se zcela vymykají běžnému chápání. V dnešním bulletinu se budeme stručně věnovat vývoji poznání podstaty elektromagnetického záření. Následující text vzhledem ke svému rozsahu rozhodně není uceleným pohledem na tuto problematiku.

To, že tento text čtete, je umožněno fotony, které obraz z monitoru či displeje přenášejí na sítnici vašeho oka. Fotony dnes chápeme jako kvanta energie elektromagnetického pole s nulovou klidovou hmotností, která se ve vakuu za všech okolností šíří stejnou rychlostí, a jsou tedy v neustálém pohybu. Současně je foton polní částicí elektromagnetické interakceElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., která zprostředkovává vzájemné působení mezi částicemi s elektrickým nábojem. SpinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. fotonu je roven jedné, a rodově proto foton patří mezi tzv. nosiče sil neboli polní bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu.. K tomuto poznání vedla ale klikatá cesta, jejíž počátky popíšeme chronologicky.

Detekce fotonu založená na jeho interakci s intenzivním laserovým impulzem.
Zdroj: M. Bellini, National Institute of Optics.

Foton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. Polarizace fotonu – rovina kmitů elektrického pole, fotony jako kvanta příčného elektromagnetického vlnění mohou mít dvě nezávislé polarizace. Skutečný stav fotonu je potom lineární kombinací obou polarizačních stavů v dané bázi. Spin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. Evanescentní vlna – elektromagnetická vlna na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi. Šíří se podél rozhraní a kolmo na rozhraní ubývá exponenciálně. Z hlediska řešení vlnových rovnic jde o pole krátkého dosahu, které zajišťuje spojitost normálových složek polí. Vzniká při průchodu světla rozhraním, nejznámější je situace při úplném odrazu. Obdobná vlna vzniká i při šíření zvuku.

Vlna, nebo částice?

Názory na světlo se tříbily od prvních okamžiků, v nichž mimořádní jedinci přemýšleli o základních vlastnostech přírody. Řecký matematik a filosof Eukleides už ve třetím století př. n. l. zjistil, že se světlo šíří po přímých liniích, a zformuloval zákon odrazu. Alexandrijský učenec Klaudios Ptolemaios ve druhém století našeho letopočtu popsal lom světla. První ucelený popis odrazu a lomu světla ale pochází až z roku 1021, kdy arabský učenec Alhazen (Ibn al-Haytham) publikoval spis Kitab al-Manazir (Kniha o optice). Další překotný vývoj spadá do období 17. až 19. století, kdy jedna část vědců chápala světlo jaké malé letící částice a druhá jako vlnění. Teprve století 20. ukázalo, že oba názory jsou správné a světlo má jak částicovou, tak vlnovou povahu.

1637: Descartes a pulzy světla

V roce 1637 publikoval francouzský filosof, fyzik a matematik René Descartes, který je považován za otce moderní vědy, esej La Dioptrique (Dioptrika), v níž popisuje světlo jako přímočaře se pohybující pulzy, které se srážejí s částicemi prostředí. Jde o zárodek budoucí korpuskulární teorie považující světlo za pohybující se částice. Na základě této představy Descartes odvodil zákon lomuSnellův zákon lomu – vlnění se na rozhraní dvou prostředí láme tak, že podíl sinu úhlů odklonu paprsků od kolmice je roven podílu rychlostí šíření v daném prostředí: sin α / sin β = v_α/v_β. Dnes ale víme, že jeho odvození bylo chybné a na pravé straně mu vyšel obrácený poměr rychlostí, než má být při skutečném šíření světla. Pokud poměr rychlostí šíření světla v obou prostředích považujeme za materiálovou konstantu danou experimentem (tzv. relativní index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.), nemá tato chyba na výsledky výpočtů vliv.

1690: Huygensova vlnová teorie

Významný nizozemský fyzik, matematik a astronom Christiaan Huygens publikoval v roce 1690 dílo Traité de la Lumière (Pojednání o světle), v němž popisuje světlo jako vlnění šířící se jakýmsi pružným médiem. Při setkání vlnění s překážkou se každé místo stává zdrojem dalšího vlnění a vzniklé vlnoplochy se skládají. Na základě takovéto konstrukce vysvětlil nejen lom a odraz světla, ale i dvojlom a polarizaci. Základy korpuskulární teorie (René Descartes) a vlnové teorie (Christiaan Huygens) mají tedy kořeny v sedmnáctém století, hlavní debata o povaze světla se ale rozhořela až ve století osmnáctém a devatenáctém.

1704: Newtonova korpuskulární teorie

V roce 1704 vydal anglický fyzik Isaac Newton rozsáhlý spis Opticks (Optika), v němž navázal na Descarta a světlo popisoval jako proud malých částic – korpuskulí. Pomocí korpuskulární teorie bylo snadné vysvětlit zákon odrazu (světlo se odráží pod stejným úhlem, jako dopadá), ale vysvětlení zákona lomu už tak jednoduché nebylo. Newton sám s lomem světla experimentoval a podařilo se mu pomocí hranolu rozložit sluneční světlo na jednotlivé barvy. Proto uvažoval, že je paprsek světla složen z korpuskulí různých barev. Červené korpuskule byly největší a fialové nejmenší. Díky různé velikosti interagovaly různě s prostředím hranolu a Newtonovi se podařilo celkem důvěryhodně vysvětlit i lom světla a jeho rozklad na jednotlivé barvy.

1801: Youngův dvojštěrbinový experiment

V roce 1801 provedl britský fyzik, lékař a polyhistor slavný dvojštěrbinový experiment. Shodou okolností byl v témže roce Young jmenován profesorem přírodní filosofie v Královském institutu v Londýně (Royal Institution of Great Britain). Světlo z jednoho zdroje rozdělil dvěma štěrbinami na dva paprsky, které spolu v oblasti za štěrbinami interferovaly a po dopadu na stínítko vytvořily interferenční obrazec, který je typický pro vlnění. Pokud očekáváte, že Youngův experiment znamenal konec korpuskulární teorie, mýlíte se. Newtonova autorita byla obrovská a většina fyzikální obce Youngův experiment prostě ignorovala a dále prosazovala Newtonovo pojetí světla. A nešlo jen o Youngův experiment, ale i o Fresnelovy práce, které přišly o dvacet let později. 

V Youngově experimentu se každá ze štěrbin stává zdrojem kulových vlnoploch,
které spolu interferují. Zdroj: University of Louisville.

Útok na korpuskulární teorii pokračuje do zdárného konce

1821: Fresnel – světlo jako příčné vlnění

Francouzský fyzik Augustin-Jean Fresnel studoval vlastnosti světla jak teoreticky, tak experimentálně. V roce 1821 se mu podařilo teoreticky dokázat, že polarizační jevy, které byly u světla dobře známy, jsou možné pouze v případě, že světlo je příčné vlnění. Fresnel také odvodil teorii ohybu světla a z vlnové teorie nalezl vztahy pro intenzitu odražené a prošlé vlny. Mimo jiné vynalezl i tzv. Fresnelovu čočkuFresnelova čočka – čočka, v níž chybí části materiálu, které se na lomu světla nepodílí, a ostatní části jsou vhodně posunuté. Při obdobných parametrech má výrazně nižší hmotnost než klasická čočka. Výsledná čočka má značné optické vady a není vhodná pro optické zobrazování. Používá v optických přístrojích a v zařízeních, která směrují tok světla, například v semaforech nebo majácích. Její poloměr může být až 2,5 metru. využívanou v semaforech a majácích. Ani jeho práce však zastánce korpuskulánrí teorie díky Newtonově vlivu nepřesvědčily o vlnové povaze světla.

1850: Foucaltovo měření rychlosti světla v různých prostředích

Francouzský fyzik Jean Bernard Léon Foucault neprovedl jen notoricky známou demonstraci kyvadla, která poukázala na rotaci Země (1851), ale mnohokrát do roku 1850 měřil pomocí rotujícího zrcadla rychlost světla v různých prostředích. Ukázal, že v prostředí hustším než vzduch, jako je například voda, se světlo šíří pomaleji než ve vzduchu. Šlo o další citelný zásah Newtonovy korpuskulární teorie, z níž vycházel přesný opak. V roce 1862 naměřil Foucalt pro rychlost světla ve vzduchu hodnotu 298 000 km/s, tedy jen o 0,6 % méně, než je současná hodnota.

1873: Poslední rána – Maxwellova elektrodynamika

Posledním hřebíčkem do rakve Newtonovy korpuskulární teorie se staly práce anglického fyzika Jamese Clerka Maxwella, které vyvrcholily v roce 1873, kdy veškeré dosud známé zákonitosti elektřiny a magnetizmu sjednotil v soustavě rovnic, kterým dnes říkáme Maxwellovy rovnice, a publikoval je v momumentálním dvousvazkovém díle Treatise on Electricity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetizmu). Každý ze svazků má přes tisíc stran. Z Maxwellova teoretického popisu, který reflektoval experimentální fakta, jednoznačně vyplynulo, že světlo je jen malou částí příčného elektromagnetického vlnění, že se může šířit prázdným prostorem a že má ve vakuu ve všech soustavách stejnou rychlost. Newtonova korpuskulární teorie byla odložena do propadliště dějin na více než čtvrt století. Poté nám rodící se kvantová teorie obloukem pojetí světla jako jednotlivých částic navrátila. 

Podle současných znalostí se světlo chová jako elektromagnetické vlnění i jako částice. V horní části obrázku je znázorněna vlnová povaha, v dolní jsou kontury zachycující kvantování energie, fotony. Zdroj: Fabrizio Carbone, EPFL.

Fotony jako kvanta elektromagnetického pole

1900: Planckovo kvantování energie

Na konci 19. století řešil německý fyzik Max Planck problém záření absolutně černého tělesa. Nejprve formulku pro závislost intenzity záření na vlnové délce odhadl a později ji spočítal teoreticky. Pro zjednodušení statistického výpočtu předpokládal, že energie není spojitá, ale že je deponována v balíčcích úměrných frekvenci záření. Tím si výpočet zjednodušil (spojitou integraci nahradil součtem). Výsledná formulka byla v dokonalém souladu s experimenty. Planck doufal, že jeho „kvantování energie záření“ je jen dočasným řešením, které jednou nahradí spojitá integrace. Stal se ale přesný opak. Planck nevědomky otevřel bránu do říše kvantové fyziky, která v průběhu 20. století zcela změnila náš pohled na svět. O svých výpočtech poprvé referoval 14. prosince 1900 na přednášce pro Německou fyzikální společnost DPG (Deutsche Physikalische Gesellschaft).

1905: Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu

Planckova kvanta energie, která se z počátku zdála jako pomocná matematická konstrukce, využil Albert Einstein v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevuFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905.. Ozáříme-li povrch vhodného materiálu (většinou kovu) elektromagnetickým zářením, může dojít k vytrhávání elektronů z atomárních obalů. Podle klasické fyziky by dostatečně intenzivní svazek záření měl elektron vytrhnout vždy. To je ale v příkrém rozporu s experimenty. Elektrony dokáže z atomárních obalů vytrhnout jen světlo s dostatečně krátkou vlnovou délkou. Albert Einstein předpokládal, že se světlo skládá z částic, oněch balíčků energie navržených Planckem. S elektronovým obalem proto interaguje vždy jen jedno takové kvantum, a pokud nemá dostatečnou energii, k vytržení elektronu prostě nedojde. Einsteinův přístup znamenal nejen návrat Newtonovy korpuskulární teorie, ale i to, že se Planckova kvanta stala reálným projevem přírody. Za tuto práci obdržel Einstein Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku pro rok 1921.

1926: Lewis – foton dostává své jméno

V době kdy Einstein vysvětlil fotoelektrický jevFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905. pomocí energetických balíčků, z nichž je složeno světlo, se slovo foton (odvozené z řeckého výrazu phōtós pro světlo) ještě nepoužívalo. Nazvat takto částici světla se pokusilo neúspěšně několik fyziků a fyziologů. Poprvé to byl v roce 1916 americký fyzik a fyziolog Leonard T. Troland, poté v roce 1921 irský fyzik John Jolly, v roce 1924 francouzský fyziolog René Wurmser a v roce 1926 další francouzský fyziolog Frithiof Wolfers. Jejich snahy nebyly úspěšné. Nakonec se to podařilo až americkému fyzikálnímu chemikovi Gilbertu Lewisovi, který použil slovo foton v dopise editorům prestižního časopisu Nature, v němž popisoval podmínky, za kterých se počet fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. zachovává. Jeho dopis byl otištěn dne 18. prosince 1926 a toto datum můžeme považovat za první oficiální označení světelného kvanta slovem foton. Někteří fyzikové upozorňují, že z dnešního pohledu je označení kvanta elektromagnetického záření za částici nepřesné, jde spíše o kvazičásticiKvazičástice – z místa na místo se přesouvající rozruch neboli excitace budící dojem pohybu skutečné částice. Příkladem mohou být postupně padající kostky domina, překlápějící se elementární spiny, šířící se vibrační kvantum v krystalu nebo excitace hustotní vlny elektronů. podobnou fononůmFonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce. (kvantům zvukového pole).

2024: Fotony jakožto kvanta pole dnes

Foton je základním kvantem energie elektromagnetického pole s nulovou klidovou hmotností a spinemSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. rovným jedné. Řadíme ho mezi polní částice elektromagnetické interakceElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., které jsou odpovědné za vzájemné působení částic s elektrickým nábojem. Jde o objekty mikrosvěta se všemi pro nás podivnými vlastnostmi, které takovýmto objektům náleží. Pokud neprovedeme měření, jsou nelokální, jeden konkrétní foton může být v obou ramenech interferometru naráz, mohou být v superpoziciKvantová superpozice – skutečnost, že se objekty mikrosvěta mohou nacházet ve více stavech naráz. Například elektron v atomárním obalu může mít současně dva energetické stavy, nebo může současně procházet dvěma otvory ve stěně. Pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je vždy možná i superpozice těchto stavů. Teprve při aktu měření objekt „získá“ jeden konkrétní stav. Například hzpotetická kvantová kočka nemusí být jen živá, nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, najdeme ji buď živou, nebo mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů komunikujících s okolím (kočka, člověk) je nemožná. několik kvantových stavů, dva fotony mohou být provázanéKvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování. na dálku a cokoli se stane s jedním z nich, projeví se i na druhém, neboť ve skutečnosti nejde o fotony dva, ale o jeden jediný objekt mikrosvěta. Lidské představy pro takové chování zcela chybí, protože ve světě dostupném našim smyslům nemají žádný protějšek. Jakékoli analogie z makrosvěta jsou pouhými podobenstvími, která mají s realitou pramálo společného. Kvantové vlastnosti fotonů si sice nedokážeme představit, ale umíme je dobře využívat v našich novodobých technologiích, ať už jde o teleportaci fotonůKvantová teleportace – děj navržený v roce 1993 Charlesem Bennettem a poprvé uskutečněný v roce 1997 v Innsbrucku Anthony Zeilingerem. Je založena na tenzorovém součinu Hilbertových prostorů (popisuje provázání – entanglement – stavů) a vzájemném vztahu různých bází (Bellovy stavy). Při kvantové teleportaci se přenášejí virtuální EPR (Einsteinovy-Podolského-Rosenovy) páry tzv. ebitů, vytvořené z entropického vakua. Konkrétní informační proces pak lze popsat pomocí analogie Feynmanových diagramů s ebity a antiebity. V reálných teleportačních obvodech pro kvantové počítače může hrát úlohu ebitu například spin elektronu obsazujícího orbitální stav v polovodičové kvantové tečce (spintronika)., kvantové šifrování, kvantové počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů., optické pinzetyOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší., laserové ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku., kvantové senzory, či mnoho dalších aplikací, které se rychle stávají součástí našich životů.

Hologram jednotlivého fotonu, který se podařilo získat týmu odborníků z Varšavské
univerzity. Nalevo skutečné měření, napravo numerická simulace. Zdroj: FUW.

Řítím se rychlostí světla

U kvantového pojetí fotonu se relativně snadno smíříme s vlastnostmi, které si nedovedeme představit, neboť se s nimi setkáváme u všech objektů mikrosvěta. Fotony ale popisujeme i v rámci speciální relativitySpeciální relativita – zobecnění principu relativity z klasické mechaniky i na elektromagnetické děje. Ve všech inerciálních soustavách dopadnou všechny mechanické i elektromagnetické děje stejně. Speciální teorie relativity upravuje rovnice klasické mechaniky tak, aby byly v souladu s Maxwellovou elektro­dynamikou. To vede na kontrakci délek, dilataci času a další děje., která je považuje za jakési kuličky a z toho plyne celá řada paradoxů a nejasností. Je to důsledkem dvou pohledů na realitu – kvantového a relativistického, které nebyly doposud spojeny do jediného popisu.

Z Maxwellovy elektrodynamiky vyplynul fakt, že by se elektromagnetické záření mělo ve všech souřadnicových soustavách šířit ve vakuu stejnou rychlostí (rychlostí světla). Tato skutečnost byla mnohokrát experimentálně ověřena, proto Albert Einstein v roce 1905 upravil klasickou mechaniku tak, aby respektovala princip konstantní rychlosti světla. Této „úpravě“ se říká speciální teorie relativitySpeciální relativita – zobecnění principu relativity z klasické mechaniky i na elektromagnetické děje. Ve všech inerciálních soustavách dopadnou všechny mechanické i elektromagnetické děje stejně. Speciální teorie relativity upravuje rovnice klasické mechaniky tak, aby byly v souladu s Maxwellovou elektro­dynamikou. To vede na kontrakci délek, dilataci času a další děje.. Kromě kontrakce délek, dilatace času a dalších jevů s sebou speciální relativita přináší i další jev: urychlování hmotných těles je se zvyšující se rychlostí stále obtížnější a obtížnější a pro urychlení na rychlost světla by bylo zapotřebí dodat nekonečně velikou energii, kterou k dispozici nemáme. Z toho plyne, že se žádný hmotný objekt nemůže pohybovat rychlostí světla. Všechny hmotné částice se musí pohybovat podsvětelnou rychlostí. Jak je tedy možné, že to pro světlo samotné neplatí? Odpověď je jednoduchá. Světlo netvoří žádné kuličky, ale kvanta energie. Těmto kvantům musíme přiřadit nulovou hmotnost. Jiná být ani nemůže. Měření hmotnosti totiž musí probíhat u objektu samotného, ale nic se nedokáže pohybovat stejnou rychlostí jako světlo a změřit hmotnost v jeho referenční soustavě. Veškerá energie fotonů je dána pouze pohybem, nikoli jejich hmotností. Platí to i obráceně. Jakýkoli objekt s nulovou hmotností se nemůže zastavit, ale za všech okolností se musí pohybovat rychlostí světla a neexistuje žádná možnost, jak ho zpomalit na nižší rychlost.

Pro zavedení speciální relativity není dokonce ani nutný předpoklad přebíraný z Maxwellovy elektrodynamiky, a to, že se světlo šíří ve všech soustavách stejnou rychlostí. Toto tvrzení už automaticky vyplyne z požadavku, aby veškeré děje dopadly ve všech inerciálních soustavách stejně, viz [6]. Stačí tedy velmi málo: věřit, že děje probíhají ve všech soustavách stejně. Odsud plyne celá speciální relativita včetně principu konstantní rychlosti světla. Představovat si nějak foton ztrácí smysl. Pohybuje se světelnou rychlostí, kterou nemůže žádné hmotné těleso (ani detektor) dosáhnout, a foton si prohlédnout. Z hlediska relativity (nikoli ale kvantové teorie) je foton nepozorovatelný. Pak už nám ani nebude vadit, že pro foton z dilatace času vyplývá, že každý časový interval bude nekonečně dlouhý, tedy jakoby se pro foton čas zastavil. Co nelze pozorovat, nás přece nemůže překvapit.

Evanescentní vlny a spin fotonů

Velmi zajímavá je elektromagnetické vlna šířící se na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi. Nazýváme ji evanescentní vlnaEvanescentní vlna – elektromagnetická vlna na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi. Šíří se podél rozhraní a kolmo na rozhraní ubývá exponenciálně. Z hlediska řešení vlnových rovnic jde o pole krátkého dosahu, které zajišťuje spojitost normálových složek polí. Vzniká při průchodu světla rozhraním, nejznámější je situace při úplném odrazu. Obdobná vlna vzniká i při šíření zvuku. a vzniká například při úplném odrazuÚplný odraz – jev, který nastává při průchodu světla z prostředí opticky hustšího (např. skla) do prostředí opticky řidšího (např. vzduchu). Světlo se láme od kolmice a s rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu. Při tzv. mezním úhlu dopadu dosáhne úhel lomu největší možné hodnoty 90° a lomený paprsek splývá s rozhraním. Při větších úhlech dopadu již světlo do druhého prostředí nepronikne a jen se od rozhraní s opticky řidším prostředím odráží. Tento jev pozoroval v Praze na počátku 17. století Johanes Kepler., ale lze ji vyvolat i jinými mechanizmy. Z Maxwellovy elektrodynamiky plyne, že se taková vlna šíří dobře rozhraním, ale na obě strany od něho ubývá exponenciálně. V roce 2014 ukázala skupina vědců z Japonska, Ukrajiny, Spojených států a Koreje, že v takové vlně mají fotony atypický spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole., viz [3]. Za normálních okolností míří spin fotonů ve směru pohybu vlnoplochy, tj. má podélný směr. Spin je vnitřní moment hybnosti částice, který nemá klasickou analogii. Zkusme si ho ale představit jako kroužení částice v rovině kolmé na orientaci spinu (na obrázku jde o červené kroužky). Pokud jde o rovinnou vlnoplochu, všechny kroužky jsou stejně veliké, a tam, kde k sobě přiléhají, se pohyb přesně vyruší. Pokud je ale vlna exponenciálně tlumená, kroužky jsou různě veliké a nedojde k vyrušení krouživého pohybu. V důsledku toho vznikne příčná složka spinu fotonů mířící kolmo na směr pohybu vlnoplochy. Klasická analogie s kroužením je samozřejmě chybná, ale výše zmíněná skupina ukázala, že by takový jev měl nastat i pro skutečný spin fotonů. Tedy v normální vlně mají fotony jen podélný spin, zatímco u evanescentní vlny vznikne u fotonů i jeho příčná složka. To je velmi zajímavé, protože právě v současnosti se objevuje řada technologií založených na spinu elektronů (celému odvětví se říká spintronikaSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997.) a není vyloučené, že v budoucích technologiích využijeme i spin fotonů. Z tohoto hlediska je příčný spin fotonů evanescentní vlny velmi důležitým objevem.

V horní části obrázku je znázorněno šíření rovinné vlnoplochy, v dolní šíření evanescentní vlny. V obou případech jde o kruhovou polarizaci. V levých částech jsou znázorněny základní směry. Vlna postupuje ve směru osy z, v kolmé rovině kmitá elektrický vektor (modře) a magnetický vektor (zeleně). Na prostředních obrázcích je modrými šipkami znázorněna hybnost vlny, tedy směr jejího pohybu. Červené kroužky znázorňují analogii spinu (jakýsi vnitřní krouživý pohyb fotonů), červená šipka pak ukazuje směr spinu. U evanescentní vlny se pohyby kroužků nevykompenzují a vzniká příčný spin. V pravých částech obrázků je znázorněno silové působení příslušné elektromagnetické vlny na nabitou částici. Zdroj: [3].

Pár slov na závěr

Není vyloučené, že se k problematice fotonů ještě někdy vrátíme, protože existuje mnoho zajímavostí týkajících se fotonů, na něž už nezbylo v bulletinu místo. Především jde o využití fotonů v různých technologiích, a to od gama záření přes rentgenové a ultrafialové záření v krátkovlnné oblasti spektra, až po infračervené záření, mikrovlny a rádiové vlny v dlouhovlnné oblasti spektra. Bez zajímavosti není ani role fotonů ve vesmíru jako celku, kde na jednu běžnou částici (například elektron nebo proton) připadá zhruba miliarda fotonů. Téměř neuvěřitelné je, že dnes dokážeme připravit speciální experimenty, v nichž se měří vlastnosti fotonů nedestruktivně, tj. při měření je nezničíme. Fotony umíme teleportovat na oběžnou dráhu. Ve speciálně připravených prostředích lze vlastnosti fotonů otisknout do struktury látky a poté je z této struktury opětovně uvolnit. Výzkum fotonů je jednou z nejzajímavějších oblastí fyziky vůbec.

Vizualizace letících fotonů (balíčků energie) kruhově polarizované vlny včetně siločar elektrického (červeně) a magnetického (modře) pole. Zdroj: YT, kanál Phy Prime. Software: Blender 2.8. Hudba: Monstercat, Notaker feat; Karra – Into The Light.

Odkazy