Фо­то­ны и луч света

Пре­ду­пре­ждаю сразу, что мои ста­тьи не о фи­зи­ке как та­ко­вой, а о за­пу­ты­ва­нии, за­пу­ги­ва­нии и про­мы­ва­нии моз­гов в со­вре­мен­ной науке. Се­го­дня я пред­ла­гаю про­ана­ли­зи­ро­вать си­ту­а­цию, свя­зан­ную с опи­са­ни­ем свойств фо­то­нов в со­вре­мен­ных учеб­ни­ках фи­зи­ки. 
Об­су­дим такой во­прос: что пред­став­ля­ет из себя луч света – некую еди­ную си­сте­му, со­сто­я­щую из фо­то­нов, или про­сто груп­пу неза­ви­си­мых фо­то­нов, дви­жу­щих­ся в одном на­прав­ле­нии?

Нач­нем с крат­ко­го экс­кур­са в ис­то­рию фи­зи­ки.
В XVII веке друг с дру­гом кон­ку­ри­ро­ва­ли две тео­рии о при­ро­де света: кор­пус­ку­ляр­ная и вол­но­вая.

Кор­пус­ку­ляр­ную тео­рию света на­ча­ли раз­ра­ба­ты­вать Пьер Гас­сен­ди и Исаак Нью­тон. Со­глас­но этой тео­рии, свет со­сто­ит из мел­ких ча­стиц (кор­пус­кул), ис­пус­ка­е­мых све­тя­щи­ми­ся те­ла­ми.
Аль­тер­на­тив­ное пред­став­ле­ние о свете, как о вол­нах в эфире, ос­но­ва­лось на ра­бо­тах Рене Де­кар­та и Ро­бер­та Гука.
Вол­но­вую тео­рию света начал раз­ра­ба­ты­вать Хри­сти­ан Гюй­генс. Эта тео­рия рас­смат­ри­ва­ет свет как со­во­куп­ность по­пе­реч­ных мо­но­хро­ма­ти­че­ских элек­тро­маг­нит­ных волн, а на­блю­да­е­мые оп­ти­че­ские эф­фек­ты – как ре­зуль­тат ин­тер­фе­рен­ции этих волн. Вол­но­вая тео­рия света как элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в XIX веке по­лу­чи­ла тео­ре­ти­че­ское опи­са­ние в ра­бо­тах Джейм­са Макс­вел­ла.

Неко­то­рые фун­да­мен­таль­ные фи­зи­че­ские яв­ле­ния и за­ко­ны, свя­зан­ные с по­ве­де­ни­ем све­то­вых лучей, также были от­кры­ты еще в XVII веке.

Пре­лом­ле­ние (ре­фрак­ция) – из­ме­не­ние на­прав­ле­ния луча, воз­ни­ка­ю­щее на гра­ни­це двух сред, через ко­то­рые этот луч про­хо­дит.
Закон пре­лом­ле­ния света был от­крыт Вил­ле­брор­дом Снел­лом в 1621 году.

Ин­тер­фе­рен­ция света – пе­ре­рас­пре­де­ле­ние ин­тен­сив­но­сти света в ре­зуль­та­те на­ло­же­ния све­то­вых волн. Это яв­ле­ние обыч­но ха­рак­те­ри­зу­ет­ся че­ре­ду­ю­щи­ми­ся в про­стран­стве мак­си­му­ма­ми и ми­ни­му­ма­ми ин­тен­сив­но­сти света.
Яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции в XVII веке неза­ви­си­мо друг от друга об­на­ру­жи­ли Фран­че­ско Гри­маль­ди, Ро­берт Бойль и Ро­берт Гук. Де­таль­ное объ­яс­не­ние этого яв­ле­ния в 1801 году дал Томас Юнг; он же ввел в на­уч­ный оби­ход тер­мин «ин­тер­фе­рен­ция».

Ди­фрак­ция волн – это яв­ле­ние оги­ба­ния вол­на­ми пре­пят­ствий.
Яв­ле­ние ди­фрак­ции света от­кры­то в XVII веке Фран­че­ско Гри­маль­ди.
Пер­вая вол­но­вая тео­рия ди­фрак­ции с при­вле­че­ни­ем ин­тер­фе­рен­ции к объ­яс­не­нию ди­фрак­ци­он­ных кар­тин была дана То­ма­сом Юнгом.

По­ля­ри­за­ция волн – ха­рак­те­ри­сти­ка по­пе­реч­ных волн, опи­сы­ва­ю­щая по­ве­де­ние век­то­ра ко­леб­лю­щей­ся ве­ли­чи­ны в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию рас­про­стра­не­ния волны.
В 1669 году Расмус Бар­то­лин со­об­щил о ре­зуль­та­тах своих опы­тов с кри­стал­ла­ми из­вест­ко­во­го шпата: он об­на­ру­жил, что луч света при про­хож­де­нии сквозь кри­сталл рас­щеп­ля­ет­ся на два луча. Это от­кры­тие при­влек­ло вни­ма­ние Хри­сти­а­на Гюй­ген­са, ко­то­рый также начал ис­сле­до­вать свой­ства кри­стал­лов и дал объ­яс­не­ние яв­ле­нию двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния на ос­но­ве своей вол­но­вой тео­рии света. Он ввел по­ня­тие оп­ти­че­ской оси кри­стал­ла, при вра­ще­нии во­круг ко­то­рой от­сут­ству­ет ани­зо­тро­пия свойств кри­стал­ла, то есть их за­ви­си­мость от на­прав­ле­ния. Гюй­генс решил про­ве­рить, что по­лу­чит­ся, если про­пу­стить оба луча, вы­шед­шие из од­но­го кри­стал­ла ис­ланд­ско­го шпата, сквозь вто­рой такой же кри­сталл и вы­яс­нил, что в за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны угла между оп­ти­че­ски­ми осями кри­стал­лов из­ме­ня­ет­ся ин­тен­сив­ность обык­но­вен­но­го и необык­но­вен­но­го лучей.
Дол­гое время яв­ле­ние по­ля­ри­за­ции счи­та­лось до­ка­за­тель­ством кор­пус­ку­ляр­ной тео­рии света, но в 1815 году Андре-​Мари Ампер ска­зал Огю­сте­ну Фре­не­лю, что по­ля­ри­за­цию можно объ­яс­нить тем, что эфир со­вер­ша­ет по­пе­реч­ные ко­ле­ба­ния. В 1817 году ана­ло­гич­ную ги­по­те­зу вы­дви­нул Томас Юнг, а в 1821 году Фре­нель со­здал вол­но­вую тео­рию по­ля­ри­за­ции света.

А те­перь пе­рей­дем к фо­то­нам и к невра­зу­ми­тель­но­му из­ло­же­нию све­де­ний о них в со­вре­мен­ных учеб­ни­ках. Какие из пе­ре­чис­лен­ных выше свойств при­су­щи толь­ко све­то­во­му лучу, а какие – от­дель­ным фо­то­нам, из ко­то­рых этот луч со­сто­ит?

Фотон – это квант элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния и пе­ре­нос­чик элек­тро­маг­нит­но­го вза­и­мо­дей­ствия.
Кван­то­вый ха­рак­тер из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния энер­гии элек­тро­маг­нит­но­го поля был по­сту­ли­ро­ван Мак­сом План­ком в 1900 году для объ­яс­не­ния свойств теп­ло­во­го из­лу­че­ния, а сам тер­мин «фотон» вве­дён Гил­бер­том Лью­и­сом в 1926 году.

Какие раз­ме­ры имеют фо­то­ны?
Может ли свет, со­зда­ва­е­мый ла­зе­ром, про­хо­дить сквозь от­вер­стие, диа­метр ко­то­ро­го мень­ше длины волны из­лу­че­ния этого ла­зе­ра?

При­ня­то счи­тать, что фо­то­ны прак­ти­че­ски не под­вер­же­ны воз­дей­ствию элек­три­че­ских и маг­нит­ных полей. А как же тогда фо­то­ны могут вза­и­мо­дей­ство­вать между собой внут­ри луча?
Что пред­став­ля­ет из себя луч света: некую еди­ную си­сте­му, со­сто­я­щую из фо­то­нов, или про­сто груп­пу неза­ви­си­мых фо­то­нов, дви­жу­щих­ся в одном на­прав­ле­нии?
Если это еди­ная си­сте­ма, то как фо­то­ны объ­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом и как потом луч рас­па­да­ет­ся на от­дель­ные фо­то­ны по мере рас­се­и­ва­ния света?

По­ля­ри­за­ция – это свой­ство луча света в целом или свой­ство каж­до­го от­дель­но­го фо­то­на?

Если по­сте­пен­но умень­шать ин­тен­сив­ность света, уве­ли­чи­вая тем самым рас­сто­я­ние между фо­то­на­ми, то до каких пор будут все еще на­блю­дать­ся ин­тер­фе­рен­ция и ди­фрак­ция?
Спо­соб­ны ли, на­при­мер, от­дель­ные фо­то­ны, по­доб­но све­то­во­му лучу, оги­бать пре­пят­ствия?