Částicové Zoo - fotony

Jsou všudypřítomné a nemají přitom žádnou hmotnost. Umí létat tou nejvyšší rychlostí, kterou náš vesmír dovoluje. Fotony jsou pro náš život nejdůležitějšími elementárními částicemi.

Bosony

V našem pomyslném částicovém Zoo právě přicházíme k poslednímu pavilónu. Můžeme si v něm prohlédnout ty nejpilnější ze všech částic. Dostaly jméno „bosony“ a přenášejí některou ze čtyř základních fyzikálních sil. Patří mezi ně gravitony, w- z-bosony, gluony a fotony. Právě o nich si budeme dnes povídat.

Fotonů si v našem částicovém Zoo všimnete na první pohled. Vznášejí se jako pestrobarevní motýli nejen v pavilónu exotů, ale také nad každou loukou. Jejich barvy krášlí náš svět.

Fotony a elektromagnetismus

Fotony jsou prakticky všude kolem nás. Tyto pilné elementární částice v našem vesmíru zprostředkovávají elektromagnetickou sílu. Při každém elektromagnetickém procesu jsou ve hře fotony, které putují od jedné reagující částice ke druhé.

Zmiňovaná výměna může mít přitažlivé nebo odpuzující následky – podle toho, jaký náboj nesou původní částice. Dva kladné náboje se odpuzují, stejně jako se odpuzují dva záporně nabité objekty. Objekty s opačným nábojem se navzájem přitahují.

Elektromagnetická síla má neomezený dosah. Se zvýšenou vzdáleností ale její vliv klesá. Fyzikální zákony v tomto případě vyžadují, aby částice, které takovou sílu zprostředkovávají, neměly žádnou hmotnost, říká teorie. Praxe tuto teorii potvrzuje. Fotony jsou skutečně nehmotné.

Co je to vlastně foton?

Dlouhou dobu byla podstata fotonů záhadou. Tyto pilné částice mají občas charakter vlny a občas se zdají být pevnou částicí. Duhová barva mýdlových bublin se dá vysvětlit vlnovou podstatou světla, zatímco se různé jevy, při kterých dochází k přenosu energie, lépe objasňují částicovým charakterem fotonů. Dnes víme, že to není způsobeno ani chybnými experimenty ani nějakou vadou přírody. Fotony se řídí zákony kvantového světa a mají proto vlastnosti, které nám připadají exotické a někdy i nemožné.

Jakkoliv odpovídá chování fotonů buď chování pevných částic nebo naopak vln – nedá se říci, že existují jednou v podobě vlny a poté se mění na částici. Fotony spíše existují v obou možných stavech naráz a jako vlna nebo částice se projevují jen podle své momentální dispozice a podle procesu, ve kterém se účastní.

I v našem virtuálním Zoo se projevuje  dualismus. Vnímáme sice rozdíl mezi housenkami, lezoucími po listech a pestrými okřídlenými zjevy, třepotajícími se nad nimi. Oba jsou ve skutečnosti tím samým druhem - motýlem.

Jak vznikají fotony?

Viditelné fotony se dají produkovat v různých zdrojích světla. Podle druhu svítidel se na jejich vzniku podílejí různé procesy.

V žárovce vibrují atomy vlákna a vysílají fotony stejně,  jako to dělají například radiovysílače. V neonových lampách dostávají atomy dodatečnou energii, které se pak následně zbavují vyzařováním jednotlivých fotonů.

Jiný způsob produkce (například vysoce energetických fotonů) je založen  na urychlování nebo zpomalování nabitých částic. Vzniká tak například rentgenové záření, které používají lékaři při své diagnostice.

Fotony, vznikající z „ničeho“

Kvantové jevy se zasluhují o další libůstku – fotony mohou vznikat doslova z „ničeho“. Tato teorie vychází z předpokladu, že se mezi částicemi nachází vakuum, vyplněné tzv. virtuálními částicemi. Jedná se o velice krátce žijící (takže prakticky nereálné) páry částic a jejich antičástic. Vynoří se z vakua na velice krátkou dobu, aby zase téměř okamžitě zanikly. Čím vyšší energie je potřeba ke vzniku takových párů, tím kratší dobu mohou existovat. Pokud se ale krátce žijícímu páru přidá určitá energie, mění se v reálné částice, které pak mohou zachytit i naše detektory. 

Klasickým příkladem takového čerpání fotonů „odnikud“ je vznik fotonu v elektromagnetickém poli, které se vyskytuje kolem neutrálního atomu. Proton v centru systému je složen z kvarků, které mají různé náboje (up kvark vlastní náboj +2/3 a down kvark -1/3). Blízko centra najdeme elektron, který má záporný náboj -1. Náboj elektronu „komunikuje“ s kladným nábojem některého z kvarků pomocí virtuálních fotonů. Pokud celému systému dodáme energii, například tím, že začneme atomem vibrovat, přenese se energie do virtuálního fotonu, který se tak stane reálným.

Vraťme se zpátky do našeho virtuálního Zoo. Na louce se spokojeně pase skupinka kvarků, znázorněná zebrami a antilopami. Kolem ní poletuje neméně spokojeně jeden opeřený elektron. Tvoří spolu neutrální soubor – atom  vodíku. Elektron přitom neustále komunikuje s jednou ze zeber pomocí téměř průsvitného motýla.

Pak ale pár návštěvníků stádo zeber vyplaší (přidá jim energii). Zatímco se budou zebry, antilopy i papoušek zklidňovat, vylíhnou se na louce hejna nových motýlů. Podle toho, jak byla energie intenzivní, budou mít motýli různou barvu.

Obrázek – díky vyrušení se louka zbarví částicovými motýly. Kdyby se náš reálný makrosvět řídil stejnými zákony, byl by svět daleko barevnější a krásnější, než je tomu dnes.