Вопрос о скорости фотона — возникает ли она мгновенно или же ускоряется из состояния покоя — окутан тайной и провоцирует на всевозможные размышления. Чтобы пролить свет на этот вопрос, давайте представим себе момент рождения фотона, когда электрон совершает скачок с более высокой орбитали на более низкую. Что происходит в этот момент?
Энергия фотона и уравнение Планка-Эйнштейна
Потенциальная энергия, накопленная электроном на более высокой орбите, высвобождается в виде кванта света — фотона. Энергия этого фотона строго определена уравнением Планка-Эйнштейна: E = hf, где E — энергия фотона, h — постоянная Планка, а f — частота излучаемой электромагнитной волны.
И да, фотон сразу же обретает скорость света, что, с точки зрения классической механики, кажется парадоксальным.
Но как он может достичь этой скорости без «фазы ускорения»?
Природа фотона
Фотон рождается в момент высвобождения энергии электроном. Эта энергия мгновенно преобразуется в фотон / электромагнитную волну.
Если бы фотон обладал массой, достижение скорости света было бы равносильно бесконечному ускорению. Но фотон лишен массы. Он обладает лишь квантованной энергией, определяемой его частотой или длиной волны, которые, в свою очередь, зависят от величины высвобожденной энергии.
Чем больше разница в энергии между высокой и низкой орбиталями электрона, тем больше энергия рожденного фотона, тем выше частота света (или короче длина волны). И это происходит мгновенно, без какой-либо задержки, которая необходима для разгона массивных объектов в классической физике!
Поэтому попытки объяснить это явление с точки зрения классической механики обречены на провал. В квантовом мире энергия преобразуется мгновенно, без необходимости в «разгоне». Свет, фотоны, гравитоны — все они возникают уже «на скорости», без какого-либо периода ускорения.
Характеристика среды и скорость распространения
Теперь, если немного подумать, то скорость распространения — это характеристика среды, в которой происходит распространение, а не характеристика распространяемого объекта. Например, когда вы издаете звук, он распространяется по воздуху с определенной скоростью. Эта скорость не является характеристикой звука, это характеристика воздуха. Если вы издаете тот же звук в воде, он распространяется с другой скоростью, которая является характеристикой воды.
Это говорит, что свет на самом деле не имеет собственной скорости. Среды, через которые он распространяется, имеют свои скорости распространения света. Так, в вакууме скорость распространения света равна «c». В воздухе скорость распространения света немного меньше «c». Стекло и вода имеют скорости распространения света еще меньше.
Влияние плотности среды
Стекло и вода по плотности отличаются от вакуума. Это значит, что свет не может пройти сквозь вещество, ни разу не наткнувшись на его составляющие – атомы. Во время движения фотон буквально втыкается в атом и возбуждает его состояние (один из электронов атома перескакивает на более высокий энергетический уровень). Но атом не хочет быть возбужденным и ПОЧТИ сразу избавляется от излишка энергии — электрон соскакивает на прежнее место, и испускает при этом новый фотон. И между гибелью первого фотона и рождением второго проходит какое-то количество ВРЕМЕНИ.
Поэтому свет преодолевает толщу прозрачного вещества дольше, чем сделал бы это в вакууме. Иными словами — снижается скорость. Но выйдя за пределы стекла он снова движется со скоростью той среды в которой распространялся до этого.
Вакуум — это пространство, лишенное материи, и он оказывает меньшее сопротивление распространению света. Поэтому скорость распространения света в вакууме — самая большая из всех наблюдавшихся. Для того чтобы свет распространялся быстрее, чем «c», потребовалась бы среда, которая была бы еще менее плотная, чем вакуум.
Возможно, если бы существовало такое понятие, как «беспространственное пространство» (т. е. пространство настолько пустое, что оно даже не содержит пространства), скорость распространения света была бы бесконечной, и любой «возникающий» свет просто мгновенно появлялся бы повсюду в этом «пространстве».
