4. Фотон

4.1. Корпускулярная теория фотона

Фотон – главный носитель информации и главный носитель энергии, поэтому человек обязан начинать изучать микромир с анализа законов формирующих структуру фотона, управляющих его прямолинейным движением с постоянной скоростью и с законов взаимодействия фотонов друг с другом и другими обитателями микро и макро миров.

В старых физических теориях господствует понятие электромагнитное излучение. Понятие фотон используется редко. Новая же теория микромира описывает детально структуру фотона, его движение в пространстве и - взаимодействие фотонов друг с другом и другими обитателями микро и макро миров.

В ХХ веке главное внимание уделялось электромагнитному излучению, которое, как считают ортодоксы, состоит из двух взаимно перпендикулярных синусоид, имитирующих изменение напряжённостей электрического Е и магнитного Н полей, описываемых уравнениями Максвелла, (рис. 26).

Рис. 26. Схема электромагнитной волны

Однако, новые экспериментальные данные поставили такую структуру излучения под сомнение, так как она не позволяла получать ответы на многие вопросы, формирующие излучение. Поэтому пришлось вернуться к идее индийского учёного Бозе, который предположил в 1924 году, что излучаемое электромагнитное поле представляет собой совокупность фотонов, которую он назвал идеальным фотонным газом.

Английский учёный Алан Холден представил совокупность фотонов, формирующих волну, в виде шариков (рис. 27). В результате возникла задача выявления внутренней структуры шариков, формирующих такую волну. Но эта задача оказалась достаточно сложной, недоступной для понимания англо - язычного мышления, базирующегося на языке с изобилием исключений из правил построения и использования этого языка.

Рис. 27. Схема фотонной волны длиною

Эта задача была решена российской наукой, и мы проследим последовательность её решения. Необходимость знания этой последовательности обусловлена тем, что на ней базируется вся последующая информация о формировании и поведении других обитателей микромира: электрона, протона, нейтрона, ядер атомов, самих атомов, молекул и кластеров.

Изучению теории фотона надо уделить особое внимание. Математическое описание фотона проще математических теорий электромагнитного излучения, господствовавших в ХХ веке. Однако, образное представление физической сути, содержащейся в математических символах новой теории фотона, - сложнее.

В XX веке мало уделялось внимания пониманию физической сути излучений, поэтому сформировались условия, при которых математическое описание было поставлено на первое место. Мы же на первое место ставим формирование физических представлений о структурах и поведении обитателей микромира при их взаимодействиях, следующих из экспериментов, а математическое описание представляем, как инструмент интерпретации результатов экспериментов.

Вполне естественно, что последовательность познания структуры фотона надо базировать на давно известных математических моделях, которые описывают его поведение в различных экспериментах. Поскольку фотонную волну (рис. 27) формируют фотоны (корпускулы), то теория, которая описывает их корпускулярные свойства, названа корпускулярной теорией фотона.

Фотон – локализованное (ограниченное) в пространстве образование, которое переносит информацию и энергию. Всё, что мы видим на этой странице, приносят в наши глаза фотоны. Мы хорошо различаем контуры букв, запятые, точки. Это значит, что каждый фотон из их совокупности, несущей в наши глаза образы, например, точек, должен иметь размер значительно меньше точки. Тогда их совокупность передаст чёткую информацию об объекте, от которого они отразились. Известно, что длина волны световых фотонов изменяется в интервале (табл. 2).

Таблица 2. Параметры различных участков спектра фотонных излучений

Область спектра	Частота, Гц	Длина волны, м	Масса, кг	Энергия, эВ
1.Низкочастот.	101…104	3∙107…3∙104	0,7·108..0,7·10–46	4·10–13..4∙10–11
2. Радио	104…109	3∙104…3∙10–1	0,7∙10– 46..0,7∙10–41	4∙10–11..4∙10–6
3.Реликт макс.)	3∙1011	1∙10–3	2,2∙10–39	1,2∙10–3
4.Инфракрас	1012.3,9∙1014	3∙10–4 ..7,7∙10–7	0,7∙10–38..0,3∙10–35	4∙10–1..1,60
5.Видимый свет	3,9∙1014..7,9∙1014	7,7∙10–7..3,8∙10–7	0,3∙10–35..0,6∙10–35	1,60..3,27
6.Ультрафиол	7,9∙1014..1∙1017	3,8∙10–7..3∙10–9	0,6∙10–35..0,7∙10–33	3,27..4∙102
7.R-излучение	1017..1020	3∙10–9..3∙10–12	0,7∙10–33..0,7∙10–30	4∙102..4∙105
8.γ-излучение	1020..1024	3∙10–12..3∙10–18	0,7∙10–30..0,7∙10–24	4∙105..1011

Это значит, что размер каждого светового фотона, примерно, в 10000 раз меньше миллиметра. Он остаётся пока самым загадочным творением Природы. Долго не удавалось раскрыть структуру фотона, путем анализа необозримой экспериментальной информации о его поведении, с помощью старых физических теорий. Главная причина такого состояния, как мы сейчас увидим, заключалась в том, что в реальной действительности фотон ведет себя в рамках аксиомы Единства пространства - материи - времени, а физики пытались анализировать его поведение с помощью теорий, которые работают за рамками этой аксиомы.

Начнем с анализа математических моделей, которые описывают основные характеристики фотонов, установленные экспериментально. Первыми из них являются математические модели, определяющие их энергию. В математическую модель для определения энергии фотона , входят: масса фотона и постоянная скорость его прямолинейного движения в пространстве, равная скорости света - первой константе, описывающей поведение фотонов (табл. 2).

(91)

В соответствии с законами классической физики, а точнее, классической механики, энергия равна кинетической энергии кольца, которое движется прямолинейно и равномерно, и вращается так, что поступательная скорость любой её точки М (рис. 28) относительно неподвижной системы отсчёта равна окружной скорости этой точки относительно подвижной системы отсчёта , связанной с центром этой окружности, движущейся прямолинейно и равномерно относительно неподвижной системы отсчёта ХОУ с постоянной скоростью, равной скорости света (рис. 28).

Рис. 28. Схема качения кольца

Так как в прямолинейном движении кольца с радиусом относительно неподвижной системы отсчета ХОУ (рис. 28) со скоростью и во вращательном движении относительно подвижного геометрического центра с угловой скоростью (частотой) скорость любой точки М кольца равна , то сумма кинетических энергий прямолинейного и вращательного движений кольца равна

. (92)

Обращаем внимание на тот факт, что в формуле (92) - момент инерции кольца, а - угловая скорость или угловая частота вращения кольца (рис. 28).

Следующее важное уточнение заключается в том, что - момент инерции кольца, не имеющего размера в поперечном сечении. Фактически это момент инерции окружности. Но так как окружность имеет геометрический размер и не является материальным телом, то окружность, имеющую массу, назвали кольцом. Поэтому, в дальнейшем под понятием материальная окружность мы будем понимать кольцо, не имеющее размера в поперечном сечении, но имеющее массу, и назовём его базовым кольцом.

Итак, из формулы энергии фотона следует, что фотон, в первом приближении, представляет собой кольцо. Однако, этого мало, чтобы такую информацию считать соответствующей реальности. Нужны дополнительные доказательства. Они следуют из закона излучения абсолютно-чёрного тела, открытого Максом Планком в 1900г, в который входит его знаменитая константа

. (93)

Он назвал её «квантом наименьшего действия». Странная получается размерность у «кванта наименьшего действия» (93). По структуре она близка к классическому физическому понятию момент импульса. Если это так, то константа Планка (93) описывает вращательный процесс, но присутствующие в ней символы: длина волны и линейная частота , убеждают нас, что она описывает волновой процесс. Данное противоречие является главной преградой в раскрытии структуры фотона и физического смысла «кванта наименьшего действия».

Из закона излучения абсолютно черного тела, открытого Максом Планком, который мы детально изучим в последующих главах учебника, следует, что наименьшая порция энергии излучения абсолютно чёрного тела равна

. (94)

Из этого автоматически следует математическая связь между кинетической энергией (92) кольца (рис. 28) и порцией энергии (94) излучения чёрного тела

(95)

В результате появляется возможность раскрыть структуру порции энергии – структуру фотона и скрытую в его движении физическую суть «кванта наименьшего действия». Для этого обратим внимание на размерность константы Планка

, (96)

из которой следует формула для расчёта скорости света

. (97)

Размерность константы (96) Планка соответствует моменту импульса, а её постоянством управляет хорошо известный закон классической физики – закон сохранения момента импульса, описывающего движение пока неизвестной нам модели фотона. Попытаемся выявить её путём анализа размерности константы Планка и её математической структуры (96).

Для этого, вначале уточним физический смысл длины волны синусоидального колебания, присутствующего в константе Планка . Поскольку эта константа родилась в результате анализа процесса излучения абсолютно-чёрного тела и реализуется только в условиях, когда излучение совершается порциями, то это сразу указывает на локализацию в пространстве носителя излучения, которому давно присвоено название фотон. Из анализа размерности константы Планка (96) следует предположение: длина волны фотона равна его радиусу .

. (98)

Тогда константа Планка (96) запишется так

. (99)

и сразу проясняется физический смысл составляющей константы Планка. Величина - момент инерции кольца. Это даёт нам основание представить фотон в первом приближении в виде вращающегося кольца (рис. 28 и 29, а). Однако, частота характеризует не вращательный процесс, а процесс прямолинейного распространения синусоидальной волны. Из равенства (98) следует, что фотон - не кольцо, а шестигранник (рис. 29, b) и проясняется физическая суть линейной частоты . Вращающийся при движении шестигранник генерирует моменты импульсов в интервале каждой длины волны, которая равна длине стороны шестигранной структуры (рис. 29, b), то есть - радиусу кольца (рис. 29, а). В результате у нас появляется право ввести в размерность константы Планка (99) понятие радиан и её постоянством законно начинает управлять классический закон сохранения момента импульса.

Рис. 29. К выявлению структуры фотона

Поскольку момент импульса – величина векторная, то константа Планка тоже величина векторная. Она приложена в центре кольца перпендикулярно плоскости его вращения. Вектор направлен так, что при виде с его острия кольцо (рис. 29, а), а значит и шестигранник (рис. 29, b), должны вращаться против хода часовой стрелки.

Так как длина волны импульса момента инерции базового кольца, равна радиусу его вращения , то угловой интервал каждого импульса шестигранника (рис. 29, b) равен и он делает за один оборот шесть механических импульсов. Обратим внимание на то, что это - главный момент для понимания причины появления в размерности константы Планка (99) понятия радиан.

Так как , то из

автоматически следует третья константа [1], [3]

(100)

Из размерности константы (100) следует физический закон: произведение масс фотонов на длины их волн или радиусы – величина постоянная. В системе СИ нет названия константе с такой размерностью, поэтому назовем её константой локализации фотонов.

Легко представить реализацию константы локализации (100), если фотон – кольцо (рис. 28 и рис. 29, а) и невозможно это сделать, если фотон – максвелловская волна (рис. 26).

Обратим внимание на то, что в технической системе единиц константа (100) имеет другой физический смысл – момент силы. Это означает, что момент сил, действующих во внутренней структуре фотона - величина постоянная для фотонов всех диапазонов излучений

. (101)

Отметим, что появление постоянного момента сил, вращающего фотон, возможно лишь только в том случае, если векторы сил, генерирующих этот момент, не будут пересекать геометрический центр модели фотона, то есть - будут нецентральными силами.

Итак, формированием магнитной структуры фотона управляют пока три константы: скорость их движения , кинетический момент и константа локализации или постоянный момент силы , вращающий фотон. Вполне естественно, что этот момент генерируют внутренние силы фотона и у нас появляются основания предположить, что эти силы и обеспечивают его прямолинейное движение с постоянной скоростью [1].

Тут уместно обратить внимание на интересную особенность шестигранной механической модели (рис. 29, b). Если взять несколько шестигранников разных размеров и разместить их на наклонной плоскости, то все они будут скатываться вниз с одной и той же постоянной скоростью , но с разной частотой (табл. 3).

Таблица 3. Кинематические параметры движения тел.

Форма тел	, м	t, с
Шестигранные	0,0065 0,0080 0,0130	5,68 5,67 5,67	0,18 0,18 0,18	27,69 22,50 13,85

Обратим внимание и на то, что при увеличении радиуса шестигранника, частота при его линейном движении уменьшается (табл. 5 и рис. 29, b), так же, как и у фотона (99) и табл. 2.