Poszukując odpowiedzi na dość dziwne pytanie „Jaki kształt ma foton?” stanąłem przy okazji przed ścianą której nie mogę przeskoczyć korzystając z ogólnodostępnych źródeł wiedzy. Mianowicie:
W większości obrazowań fali elektromagnetycznej pokazywany jest następujący wykres – http://tinyurl.com/oa6j55x — czyli składowa magnetyczna oraz prostopadła do niej składowa elektryczna które równocześnie zwiększają swój potencjał, załóżmy „dodatni”, by potem zacząć go zmniejszać, przejść przez punkt „zero”, oraz z powrotem zwiększać, ale już w postaci „ujemnej”. O ile byłoby wszystko zrozumiałe gdyby te składowe oscylowały przesunięte o 90 stopni w fazie — maksimum jednej na „zero” drugiej, o tyle nie jestem w stanie wyjaśnić gdzie jest zmagazynowana energia fotonu w momencie gdy obie składowe wynoszą jednocześnie zero. Oczywiście nie jestem fizykiem, prawdopodobnie czegoś nie wiem, dlatego moje pytanie brzmi: Gdzie, według obecnego stanu wiedzy, foton magazynuje energie w momencie przechodzenia składowych przez punkt „zero”?
Gdzie się podziała energia fotonu?
Pytanie
Odpowiedź
Wspomniany w pytaniu wykres poprawnie przedstawia pola elektryczne i magnetyczne klasycznej fali płaskiej będącej rozwiązaniem równań Maxwella. Fotonu nie można identyfikować z wartościami tych pól w jakimkolwiek konkretnym punkcie. Fotony opisywane są przez wzbudzenia kwantowego pola elektromagnetycznego mające pewną niezerową objętość przestrzenną. Dopuszczalne są różne możliwe opisy tych wzbudzeń, w zależności od wyboru bazy („układu współrzędnych”) w przestrzeni pól. W wielu przypadkach wygodna jest baza fal płaskich, z których każda ma formalnie nieskończoną objętość przestrzenną. Możliwe są też inne bazy, i dla każdej z nich otrzymujemy inne „kształty” fotonów. Natura oddziaływań kwantowych sprawia, że w wielu wypadkach oddziaływania fotonów z cząstkami materii (wzbudzeniami innych pól) możemy opisywać tak, jakby dotyczyły zderzeń punktów materialnych, których położenia i/lub pędy zadane są pewnymi rozkładami prawdopodobieństw. Fala płaska odpowiada cząstce o ustalonym pędzie i o płaskim rozkładzie prawdopodobieństwa znalezienia tej cząstki w dowolnym punkcie przestrzeni. Jeśli stosujemy formalizm poprawnie, to przewidujemy te same wyniki eksperymentów niezależnie od tego, czy wyobrażamy sobie foton jako rozciągłe wzbudzenie pola, czy jako punktową cząstkę. Każde z tych dwóch wyobrażeń odpowiada jedynie innemu sposobowi konstrukcji tej samej przestrzeni Hilberta stanów fizycznych. Istnienie takich dwóch możliwości określa się nazwą dualizmu korpuskularno-falowego w mechanice kwantowej.