Co to są fotony to wiem, a przynajmniej tak mi się wydawało dopóki nie zagłębiłem się w lekturę książki Andrzeja Dragana pod bardzo dziwnym tytułem Kwantechizm . Wydawało mi się, ponieważ bardzo dobrze potrafię przewidzieć, co fotony wpadające przez obiektyw zapiszą na matrycy mojego aparatu fotograficznego. Więcej, potrafię nawet nakłonić fotony, żeby zapisały obraz tak jak ja chcę. Te przedziwne twory (znaczy fotony) zostawiają na matrycy bardzo jednoznaczne ślady. Mam zatem swoje własne (żeby nie powiedzieć – prywatne) dowody, że fotony są całkowicie przewidywalne. Otóż nie zawsze; ale po kolei.
Max Planck zaproponował teorię, że światło jest porcjowane, a najmniejszą możliwą, dalej już niepodzielną porcję światła zdefiniował jako kwant energii. Później dla kwantu energii przyjęto nazwę foton. Z lekcji fizyki pamiętam, że foton jest i cząstką elementarną i zarazem falą promieniowania elektromagnetycznego. Zatem fotony to fala pędzących cząstek energii (bez masy i bez ładunku), które tylko zachowują się jakby miały masę. „Jakby miały masę” – bardzo ciekawe sformułowanie.
Ale skąd się biorą fotony? Pominę narazie oczywisty fakt, że ze Słońca. Wracam natomiast do podstawowego wzoru podanego przez Einsteina o równoważności masy i energii. Czyli materia może być masą lub energią. Matematyczny zapis wzoru pomijam, ponieważ był podawany na lekcjach fizyki. Czy wynika stąd zatem, że foton wcześniej był najmniejszą porcją pierwotnej masy, cząstką elementarną, która została całkowicie przemieniona w kwant energii pędzący teraz z prędkością przynależną światłu? Co więcej, ze wspomnianego wzoru można nawet deterministycznym wzorem matematycznym precyzyjnie wyliczyć „teoretyczną masę” kazdego fotonu. Bardzo mi się podoba ta „masa teoretyczna”.
Niestety to tylko intelektualna „zabawa” fizyków teoretycznych, bo oto okazuje się, że fotony nie powstają z „odpowiadających im” cząstek elementarnych mających masę. Powstają natomiast głównie jako energia uwalniana w jądrowych procesach przekształcania materii na poziomie lekkich pierwiastków. A najlepszym przykładem są oczywiscie fotony docierające do nas ze Słońca. Powstają one w reakcji termojądrowej fuzji atomów izotopów wodoru (deuteru i trytu) w atomy helu. A także w kolejnych reakcjach fuzji mniejszych atomów w większe (ale tylko do wytworzenia atomów żelaza). Wytwarzanie fotonów nie musi jednak wymagać aż reakcji termojądrowej. Przykładem może być przeskok elektronu w atomie wodoru z orbity wyższej w stanie wzbudzonym (np. nr 3) na niższą (nr 2), który także także generuje fotony – falę elektromagnetyczną o konkretnej długości (i częstotliwości) w zakresie widzialnego światła czerwonego.
Czyli konkretny kolor, jaki widzimy, to są fotony o konkretnej długości fali elektromagnetycznej. Ale na moje nieszczęście, w czasie lektury Kwantechizmu okazało się, że ten sam foton może świecić różnym kolorem. Czyli co, foton może sam sobie zmieniać swoją częstotliwość (więc i długość) fali elektromagnetycznej? Co wtedy z jego energią? Też się zmieni? I tu okazało się, że tak naprawdę to ja nie wiem czym są rzeczone fotony.
Jest jeszcze gorzej, ponieważ A. Dragan pisze, że ten sam foton może znajdować się w bardzo różnych miejscach w tym samym czasie. A dzieje się to dzięki teleportacji informacji o tymże fotonie. Teleportacja to nawet mi się podoba; i to bardzo. Blisko jej do telepatii, której czasem sam doświadczam. Nie rozumiem ani telepatii, ani teleportacji, ani niemal całej treści Kwantechizmu. No bo jak inaczej traktować np. proponowaną przez A. Dragana prędkość nadświetlną wyimaginowanych cząstek? Ale jako gimnastyka intelektualna jest to świetne.
No dobrze – akceptuję, ale ze zrozumieniem to już mam trudności, podobnie jak nie rozumiem całej mechaniki kwantowej, która jawi mi się jako intelektualny „eksperyment” myślowy. Przecież kłóci się ona z codziennie doświadczaną tzw. mechaniką klasyczną naszego świata „makro”. Ale zostawmy ten problem do rozwiązania teoretycznym fizykom od świata cząstek subatomowych. Oni przecież muszą też coś robić.
Wyżej napisałem, że najważniejszym źródłem fotonów są reakcje termojądrowe generujące niewyobrażalne ilości energii. Tak, ale okazuje się że nie jedynym. Fotony emituje również wiele ziemskich organizmów, zwłaszcza żyjących w głębinach oceanicznych, chociaż nie tylko tam. I co najważniejsze, nie towarzyszy temu ekstremalna temperatura, która wewnątrz Słońca osiąga nawet do 14 mln stopni Celsjusza. Ziemskie organizmy, żyjąc w przyzwoicie niskiej temperaturze kilku – kilkudziesięciu (umówmy się, że do czterdziestu) stopni Celsjusza, wytwarzają świecące fale elektromagnetyczne w reakcjach zachodzących w ich własnym metabolizmie.
Najbardziej znanym przykładem są świetliki świętojańskie. Ich biolumiencensja jest wynikiem reakcji enzymatycznej, w której lucyferaza (enzym z grupy oksydoreduktaz) utlenia pigment o nazwie lucyferyna (lucifer – niosący światło). I to wystarcza, żeby świetliki wysyłały świetlne fotony podczas świetlikowego czasu rozrodu. Oceaniczne kałamarnice w warunkach zagrożenia potrafią wystrzeliwać „dżety” (żeby posłużyć się kosmicznym określeniem) – strumienie mocnego światła, a same znikają przed drapieżnikiem w ciemnościach. Najciekawsze jest jednak to, że organizmy żywe wytwarzają fotony niezbyt wysokim nakładem energii metabolicznej.
Człowiek też nauczył się wytwarzać urządzenia emitujące fotony, tyle tylko że przy dużo większym wkładzie energetycznym. W żarówce nie ma reakcji termofuzyjnej, nie ma lucyferyny, ani innych „nośników fotonów”, a żarówka fotony wysyła. Żarówka może wysyłać nie tylko światło, ale również fotony podczerwieni niosące ciepło. Tu sprawcą jest prąd elektryczny, a konkretnie wymuszony prądowym napięciem szybki przepływ elektronów w cienkim druciku. Elektrony zderzając się po drodze z atomami przewodnika wprowadzają je w drgania i podgrzewają go do wystarczająco wysokiej temperatury powodując wysyłanie fal elektromagnetycznych. W zależności od budowy żarówki, możemy mieć albo bardzo jasne światło, albo bardzo dużo ciepła, albo jedno i drugie. Wszystko zależy od tego jaką częstotliwość mają fale elektromagnetyczne emitowane przez odpowiednio dobrany rozgrzany drucik żarówki, i jaką charakteryzuje się on opornością w przepływie prądowych elektronów.
W organizmach żywych wytwarzanie świecących fotonów polega na bardzo konkretnych reakcjach biochemicznych. Generowanie fotonów przez prąd elektryczny podlega bardzo precyzyjnemu opisowi deterministycznym równaniem matematycznym. Tymczasem w fizyce kwantów na poziomie fotonów, fal oraz cząstek elementarnych sytuacja całkowicie wymyka się spod kontroli. Nigdy nie wiadomo jak zachowa się pojedynczy kwant światła (foton). Nie jest więc możliwe jednoznaczne przewidzenie jego zachowania i dokładne opisanie tego zachowania deterministycznym modelem matematycznym.
Podstawowym prawem mechaniki kwantowej jawi się zatem nieprzewidywalność. Żeby wyliczyć, że coś może zaistnieć, np. że foton zachowa się tak a nie inaczej (dotyczy to np. jego drogi czy koloru), można operować jedynie rachunkiem prawdopodobieństwa, przy czym zwykle jest to prawdopodobieństwo na niewyobrażalnie niskim poziomie. Jeżeli cząstki elementarne i fale elektromagnetyczne, będące u podstaw naszego ziemskiego świata (ale przecież również całego Wszechświata), w ujęciu mechaniki kwantowej są tak nieprzewidywalne, to jakim cudem na poziomie dla nas namacalnym wszystko funkcjonuje zgodnie z prawami mechaniki klasycznej? No, może nie wszystko; na naszym poziomie „makro” bywają przecież również „rzeczy” nieprzewidywalne, czasem nawet zbyt często.
Czy miałoby to znaczyć, że świat kwantowy i nasz świat „makro” wzajemnie się przenikają? Chyba tak, a dowodem mogłyby być tytułowe fotony, dla pana Dragana nieprzewidywalne, a dla mnie wręcz przeciwnie, dokładnie poddające się mojej woli podczas fotografowania. Wczytując się dalej w Kwantechizm chyba zacząłem jednak coś rozumieć – fotony, kiedy nikt ich nie obserwuje zachowują się nieprzewidywalnie. Ale kiedy już je namierzymy, badamy czy zapisujemy na matrycy aparatu fotograficznego, zachowują się całkiem przyzwoicie. Jest w tym nawet jakieś podobieństwo do zachowań dzieci, a bywa że również całkiem dorosłych ludzi.
