Gali sukelti smūgines bangas, panašias į garsines bangas
Niekas negali keliauti greičiau nei šviesa vakuume. Tačiau šviesa sulėtėja ore, vandenyje, stikle ir kitose medžiagose – kadangi fotonai sąveikauja su atomais, o tai sukelia įdomių pasekmių.
Didžiausią energiją turintys gama spinduliai iš kosmoso pasiekia Žemės atmosferą judėdami greičiau nei šviesa sklinda oru. Šie fotonai sukelia smūgines bangas ore – panašiai kaip garsinės bangos – tačiau dėl šių bangų atsiranda ne garsas, o fotonai. Observatorijos – tokios kaip Veritas observatorija Arizonoje JAV, stebi tokius antrinius fotonus, kurie yra žinomi kaip Čerenkovo spinduliuotė. Branduoliniai reaktoriai taip pat skleidžia Čerenkovo spinduliuotę – vandenyje, kurį supa branduolinis kuras.
Nematoma plika akimi
Spalvos yra tai, kaip šviesos bangos ilgius interpretuoja mūsų smegenys: kiek toli sklinda šviesa prieš bangai pasikartojant. Tačiau mūsų matomos spalvos yra „matoma“ arba „optinė“ šviesa, ir tai yra tik dalelė viso elektromagnetinio spektro.
Raudona turi ilgiausią bangos ilgį iš visų matomų spalvų, tačiau labiau ištempus bangas, gauname infraraudonuosius spindulius (įskaitant tuos, kuriuos pasitelkę kepame ar verdame maistą) ir radijo bangas. Bangų ilgiai, trumpesni už violetinę spalvą, yra ultravioletiniai spinduliai, rentgeno spinduliai ir gama spinduliai. Bangos ilgis taip pat yra energijos pakaitalas: ilgos radijo šviesos bangos turi žemą energijos kiekį, o trumpos gama spindulių bangos turi aukščiausią energijos kiekį – dėl ko jos yra pavojingos gyviems audiniams.
Galima atlikti pavienių fotonų matavimus
Šviesą sudaro dalelės, vadinamos fotonais – tai elektromagnetinio lauko pluoštai, kurie neša tam tikrą energijos kiekį. Atliekant itin delikačius eksperimentus, galima suskaičiuoti ar netgi išmatuoti pavienius fotonus. Mokslininkams yra netgi pavykę trumpam sustingdyti šviesą.
Tačiau fotonų nereikėtų įsivaizduoti kaip kamuolių. Jie taip pat panašūs į bangas: kad sukurtų šviesos ar tamsos struktūras, jie gali sąveikauti tarpusavyje. Fotono modelis buvo viena pirmųjų kvantinės fizikos pergalių. Vėlesnis darbas parodė, kad elektronai ir kitos materijos dalelės taip pat turi į bangas panašias savybes.
Naudojama chemijoje ir biologijoje
Regimos šviesos bangų ilgiai yra didesni nei atomai ir molekulės, todėl mes negalime matyti materijos sudedamųjų dalių. Tačiau rentgeno ir gamos spindulių trumpieji bangų ilgiai yra tinkami tokiai mažai struktūrai pademonstruoti. Turėdami metodus, leidžiančius pamatyti didelės energijos šviesą, mokslininkai gali pažvelgti į atomų pasaulį.
Pasitelkus magnetinius laukus, dalelių greitintuvai gali sukurti tam tikrų bangų ilgių fotonus – tai yra vadinama sinchotronine spinduliuote. Mokslininkai naudoja dalelių greitintuvus tam, kad sukurtų rentgeno ir ultravioletinius spindulius, taip pat galėtų tyrinėti molekulių bei virusų struktūras – ar net sukurti filmus apie chemines reakcijas.
Pamatinių gamtos jėgų apraiška
Fotonai neša elektromagnetinę jėgą – vieną iš keturių pamatinių jėgų (kartu su silpnąja jėga, stipriąja jėga ir gravitacija). Elektronui judant erdve, dėl elektrinės traukos ar stūmimo kitos įkrautos dalelės tai „jaučia“. Kadangi šį efektą riboja šviesos greitis, kitos dalelės reaguoja į tai, kur elektronas buvo, o ne kur jis yra dabar. Kvantinė fizika tai aiškina apibūdindama tuščią erdvę kaip kunkuliuojančią virtualių dalelių sriubą. Elektronai „įjungia“ virtualius fotonus, kurie keliauja šviesos greičiu ir susiduria su kitomis dalelėmis, apsikeisdami energija ir inercija.
Lengvai sukuriami ir sunaikinami
Priešingai nei materiją, fotonus gali sukurti ar sunaikinti įvairiausi dalykai. Jeigu visa tai skaitote kompiuterio ekrane, foninė šviesa kuria fotonus, kurie keliauja į jūsų akis, kuriose fotonai yra sugeriami ir sunaikinami.
Elektronų judėjimas yra atsakingas tiek už elektronų sukūrimą, tiek ir už jų sunaikinimą – tai galioja daugumai šviesos sukūrimo ir sunaikinimo atvejų. Stipriame magnetiniame lauke judantis elektronas greitėdamas generuoja fotonus.
Kai tinkamo bangos ilgio fotonas susiduria su atomu, jis išnyksta ir visą savo energiją išnaudoja smogdamas elektronui bei pakeldamas jį į naują energijos lygį. O kai elektronas grįžta į savo pirminę padėtį, tada sukuriamas ir išskiriamas naujas fotonas. Sugėrimas ir išskyrimas yra atsakingi už unikalų šviesos spektrą, kurį turi kiekvienos rūšies atomas ir molekulė. Būtent tokiu būdu chemikai, fizikai ir astronomai identifikuoja chemines medžiagas.
Materijos ir antimaterijos kolizija
Elektronas ir pozitronas turi tokią pačią masę, tačiau priešingas kvantines savybes – tokias kaip elektros krūvį. Kai jie susitinka, šios priešingos savybės panaikina viena kitą, o šių dalelių masės virsta į energiją, dviejų gama spindulių fotonų pavidalu.
Galima gaminti daleles
Fotonai yra antidalelės. Tačiau vienas dalykas yra labai įdomus: su fotonais susiję fizikos dėsniai yra simetriški laike. Tai reiškia, kad jeigu galime priversti susidurti elektroną ir pozitroną – kad išgautume du gama spindulių fotonus – turėtume pajėgti priversti susidurti du tinkamos energijos fotonus bei gauti elektrono-pozitrono porą.
Tačiau praktikoje tai padaryti labai sunku: sėkmingiems eksperimentams įprastai reikia kitų dalelių, ne vien tik šviesos. Tačiau Didžiajame dalelių greitintuve protonų susidūrimo metu susidarantis fotonų kiekis reiškia, kad jie kartais susiduria ir tarpusavyje.
Kai kurie fizikai svarsto sukonstruoti fotono-fotono greitintuvą, kuris šaudytų fotonų spinduliais į ertmę, pilną kitų fotonų – kad galima būtų tyrinėti, kas įvyksta po tokių susidūrimų.
