الفوتون

الفوتون

تعبير	جسيم أولي
إحصائيات	بوسونيك
عائلة	بوزون القياس
التفاعلات	الكهرومغناطيسية والضعيفة ( والجاذبية )​
رمز	غاما
نظري	ألبرت أينشتاين (1905) يُنسب اسم "الفوتون" عمومًا إلى جيلبرت ن. لويس (1926)
كتلة	0 (القيمة النظرية) <1 × 10 −18  إلكترون فولت/ ثانية مربعة (حد تجريبي) [1]
متوسط ​​العمر	مستقر [1]
الشحنة الكهربائية	0 <1 × 10 −35  هـ [1]
شحنة اللون	لا
يلف	1  هـ
حالات الدوران	+1  هـ ، −1  هـ
التكافؤ	-1 [1]
ج التكافؤ	-1 [1]
مكثف	أنا ( ج ب  ج )=0,1(1 −− ) [1]

الفوتون (من اليونانية القديمة φῶς ، φωτός ( phôs، phōtós )  "الضوء") هو جسيم أولي يمثل كمية من المجال الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء والموجات الراديوية ، وحامل القوة للقوة الكهرومغناطيسية . الفوتونات هي جسيمات عديمة الكتلة لا يمكنها التحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء المقاسة في الفراغ. ينتمي الفوتون إلى فئة جسيمات البوزون .

كما هو الحال مع الجسيمات الأولية الأخرى، يمكن تفسير الفوتونات بشكل أفضل من خلال ميكانيكا الكم وتظهر ثنائية الموجة والجسيم ، حيث يتميز سلوكها بخصائص كل من الموجات والجسيمات . ^[2] نشأ مفهوم الفوتون الحديث خلال العقدين الأولين من القرن العشرين مع عمل ألبرت أينشتاين ، الذي بنى على أبحاث ماكس بلانك . بينما كان بلانك يحاول شرح كيف يمكن للمادة والإشعاع الكهرومغناطيسي أن يكونا في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض، اقترح أن الطاقة المخزنة داخل جسم مادي يجب اعتبارها مكونة من عدد صحيح من الأجزاء المنفصلة والمتساوية الحجم. لشرح التأثير الكهروضوئي ، قدم أينشتاين فكرة أن الضوء نفسه يتكون من وحدات منفصلة من الطاقة. في عام 1926، قام جيلبرت ن. لويس بترويج مصطلح الفوتون لهذه الوحدات من الطاقة. ^{[3] [4] [5]} بعد ذلك، أثبتت العديد من التجارب الأخرى صحة نهج أينشتاين. ^{[6] [7] [8]}

في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، تم وصف الفوتونات والجسيمات الأولية الأخرى على أنها نتيجة ضرورية للقوانين الفيزيائية التي تتمتع بتناظر معين في كل نقطة في الزمكان . يتم تحديد الخصائص الجوهرية للجسيمات، مثل الشحنة والكتلة والدوران ، من خلال تناظر القياس . أدى مفهوم الفوتون إلى تقدم هائل في الفيزياء التجريبية والنظرية، بما في ذلك الليزر وتكاثف بوز-أينشتاين ونظرية المجال الكمومي والتفسير الاحتمالي لميكانيكا الكم. تم تطبيقه على الكيمياء الضوئية والمجهر عالي الدقة وقياس المسافات الجزيئية . علاوة على ذلك، تمت دراسة الفوتونات كعناصر لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وللتطبيقات في التصوير الضوئي والاتصالات البصرية مثل التشفير الكمومي .

كانت كلمة "كم" (المفرد "كم"، كلمة لاتينية تعني "كم" ) تُستخدم قبل عام 1900 لتعني الجسيمات أو كميات الكميات المختلفة ، بما في ذلك الكهرباء . في عام 1900، كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك يدرس إشعاع الجسم الأسود ، واقترح أن الملاحظات التجريبية، وخاصة عند أطوال موجية أقصر ، يمكن تفسيرها إذا كانت الطاقة "مكونة من عدد محدد تمامًا من الأجزاء المتساوية المحدودة"، والتي أطلق عليها "عناصر الطاقة". ^[9] في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين ورقة اقترح فيها أن العديد من الظواهر المتعلقة بالضوء - بما في ذلك إشعاع الجسم الأسود والتأثير الكهروضوئي - يمكن تفسيرها بشكل أفضل من خلال نمذجة الموجات الكهرومغناطيسية على أنها تتكون من كميات طاقة منفصلة وموضعية مكانيًا. ^[10] أطلق عليها اسم "كم الضوء" (بالألمانية: ein Lichtquant ). ^[أ]

اسم الفوتون مشتق من الكلمة اليونانية للضوء، φῶς (مُنقولة phôs ). استخدم آرثر كومبتون الفوتون في عام 1928، في إشارة إلى جيلبرت ن. لويس ، الذي صاغ المصطلح في رسالة إلى مجلة نيتشر في 18 ديسمبر 1926. ^{[3] [11]} تم استخدام نفس الاسم في وقت سابق ولكن لم يتم اعتماده على نطاق واسع قبل لويس: في عام 1916 من قبل الفيزيائي وعالم النفس الأمريكي ليونارد تي ترولاند ، في عام 1921 من قبل الفيزيائي الأيرلندي جون جولي ، في عام 1924 من قبل عالم وظائف الأعضاء الفرنسي رينيه ورمسر (1890-1993)، وفي عام 1926 من قبل الفيزيائي الفرنسي فريثيوف وولفرز (1891-1971). ^[5] تم اقتراح الاسم في البداية كوحدة مرتبطة بإضاءة العين والإحساس الناتج عن الضوء وتم استخدامه لاحقًا في سياق فسيولوجي. على الرغم من أن نظريات وولفرز ولويس تناقضت مع العديد من التجارب ولم يتم قبولها أبدًا، فقد تبنى معظم علماء الفيزياء الاسم الجديد بعد وقت قصير من استخدامه من قبل كومبتون. ^{[5] [ب]}

في الفيزياء، يُشار عادةً إلى الفوتون بالرمز γ ( الحرف اليوناني جاما ). ربما يشتق هذا الرمز للفوتون من أشعة جاما ، التي اكتشفها بول فيلارد عام 1900 ، ^{[13] [14]} وأطلق عليها إرنست رذرفورد اسمًا عام 1903، وأثبت رذرفورد وإدوارد أندرادي أنها شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي عام 1914. ^[15] في الكيمياء والهندسة البصرية ، يُرمز عادةً إلى الفوتونات بالرمز hν ، وهو طاقة الفوتون ، حيث h هو ثابت بلانك والحرف اليوناني ν ( nu ) هو تردد الفوتون . ^[16]

لا يحمل الفوتون شحنة كهربائية ، ^{[17] [18]} يُعتبر عمومًا أن له كتلة سكون صفرية ^[19] وهو جسيم مستقر . الحد الأقصى التجريبي لكتلة الفوتون ^{[20] [21]} صغير جدًا، في حدود 10 ⁻⁵⁰ كجم؛ سيكون عمره أكثر من 10 ¹⁸ عامًا. ^[22] للمقارنة، يبلغ عمر الكون حوالي 1.38 × 10 ¹⁰ عامًا.

في الفراغ، يكون للفوتون حالتان استقطاب محتملتان . ^[23] الفوتون هو بوزون القياس للكهرومغناطيسية ، ^{[24] : 29-30} وبالتالي فإن جميع الأعداد الكمومية الأخرى للفوتون (مثل رقم اللبتون ورقم الباريون وأرقام الكم النكهة ) تساوي صفرًا. ^[25] أيضًا، يخضع الفوتون لإحصائيات بوز-أينشتاين ، وليس إحصائيات فيرمي-ديراك . أي أنهم لا يخضعون لمبدأ استبعاد باولي ^{[26] : 1221} ويمكن لأكثر من واحد أن يشغل نفس الحالة الكمومية المقيدة.

تنبعث الفوتونات في العديد من العمليات الطبيعية. على سبيل المثال، عندما يتم تسريع الشحنة فإنها تنبعث منها إشعاعات سنكروترونية . أثناء الانتقال الجزيئي أو الذري أو النووي إلى مستوى طاقة أقل ، تنبعث فوتونات ذات طاقات مختلفة، تتراوح من الموجات الراديوية إلى أشعة جاما . يمكن أيضًا أن تنبعث الفوتونات عندما يتم فناء الجسيم والجسيم المضاد المقابل له (على سبيل المثال، فناء الإلكترون والبوزيترون ). ^{[26] : 572، 1114، 1172}

في الفضاء الفارغ، يتحرك الفوتون بسرعة c ( سرعة الضوء ) وترتبط طاقته وزخمه بالعلاقة E = pc ، حيث p هو مقدار متجه الزخم p . وهذا مستمد من العلاقة النسبية التالية، حيث m = 0 : ^[27]

${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}~.}$

تعتمد طاقة الفوتون وزخمه فقط على تردده ( ) أو على العكس من ذلك، على طوله الموجي ( λ ): ${\displaystyle \nu }$

${\displaystyle E=\hbar \,\omega =h\nu ={\frac {\,h\,c\,}{\lambda }}}$

${\displaystyle {\boldsymbol {p}}=\hbar {\boldsymbol {k}}~,}$

حيث k هو متجه الموجة ، حيث

• ك ≡ | ك | = 2π​ /λهو   رقم الموجة ، و
• ω ≡ 2 πν   هو التردد الزاوي و
• هـ ≡ ⁠ح/ 2π​ هو   ثابت بلانك المخفض . ^[28]

نظرًا لأن النقاط في اتجاه انتشار الفوتون، فإن مقدار زخمه يساوي ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$

${\displaystyle p\equiv \left|{\boldsymbol {p}}\right|=\hbar k={\frac {\,h\nu \,}{c}}={\frac {\,h\,}{\lambda }}~.}$

يحمل الفوتون أيضًا زخمًا زاويًا مغزليًا ، وهو مرتبط باستقطاب الفوتون . (تُظهر حزم الضوء أيضًا خصائص تُعرف بالزخم الزاوي المداري للضوء ).

الزخم الزاوي للفوتون له قيمتان محتملتان، إما +ħ أو −ħ . هاتان القيمتان المحتملتان تتوافقان مع الحالتين النقيتين المحتملتين للاستقطاب الدائري . قد تحتوي مجموعات الفوتونات في شعاع الضوء على خليط من هاتين القيمتين؛ سيتصرف شعاع الضوء المستقطب خطيًا كما لو كان مكونًا من أعداد متساوية من الزخم الزاوي المحتملين. ^{[29] : 325}

لا يعتمد الزخم الزاوي للدوران الضوئي على تردده، وقد تم التحقق منه تجريبياً بواسطة سي في رامان وس. بهاجافانتام في عام 1931. ^[30]

يمكن أن يؤدي تصادم جسيم بجسيمه المضاد إلى إنشاء فوتونات. في الفضاء الحر، يجب إنشاء فوتونين على الأقل لأنه في مركز إطار الزخم ، لا تمتلك الجسيمات المضادة المتصادمة زخمًا صافيًا، في حين أن الفوتون الواحد له دائمًا زخم (يتم تحديده من خلال تردد الفوتون أو طوله الموجي، والذي لا يمكن أن يكون صفراً). وبالتالي، يتطلب الحفاظ على الزخم (أو ما يعادله، الثبات الترجمي ) إنشاء فوتونين على الأقل، مع زخم صافٍ يساوي صفرًا. ^{[ج] [31] : 64–65} يمكن تحديد طاقة الفوتونين، أو ما يعادله، ترددهما، من الحفاظ على الزخم الرباعي .

وبطريقة أخرى، يمكن اعتبار الفوتون بمثابة جسيم مضاد لنفسه (وبالتالي فإن "الفوتون المضاد" هو ببساطة فوتون عادي له زخم معاكس واستقطاب متساوٍ و180 درجة خارج الطور). العملية العكسية، إنتاج الزوج ، هي الآلية السائدة التي تفقد بها الفوتونات عالية الطاقة مثل أشعة جاما طاقتها أثناء مرورها عبر المادة. ^[32] هذه العملية هي عكس "الفناء لفوتون واحد" المسموح به في المجال الكهربائي للنواة الذرية.

يمكن إعادة التعبير عن الصيغ الكلاسيكية للطاقة وزخم الإشعاع الكهرومغناطيسي من حيث أحداث الفوتونات. على سبيل المثال، ينشأ ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي على جسم ما من نقل زخم الفوتون لكل وحدة زمنية ووحدة مساحة إلى ذلك الجسم، حيث أن الضغط هو القوة لكل وحدة مساحة والقوة هي التغير في الزخم لكل وحدة زمنية. ^[33]

تشير النظريات الفيزيائية المقبولة حاليًا بشكل عام أو تفترض أن الفوتون عديم الكتلة تمامًا. إذا لم تكن الفوتونات عديمة الكتلة تمامًا، فإن سرعاتها ستختلف مع التردد، مع تحرك الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة (الأكثر احمرارًا) بشكل أبطأ قليلاً من الفوتونات ذات الطاقة الأعلى. لن تتأثر النسبية بهذا؛ لن تكون سرعة الضوء المزعومة، c ، هي السرعة الفعلية التي يتحرك بها الضوء، ولكنها ثابت طبيعي يمثل الحد الأعلى للسرعة التي يمكن لأي جسم أن يصل إليها نظريًا في الزمكان. ^[34] وبالتالي، ستظل سرعة تموجات الزمكان ( الموجات الثقالية والجرافيتونات )، لكنها لن تكون سرعة الفوتونات .

إذا كان للفوتون كتلة غير صفرية، فستكون هناك تأثيرات أخرى أيضًا. سيتم تعديل قانون كولومب وسيكون للمجال الكهرومغناطيسي درجة حرية فيزيائية إضافية . تسفر هذه التأثيرات عن تحقيقات تجريبية أكثر حساسية لكتلة الفوتون من اعتماد سرعة الضوء على التردد. إذا لم يكن قانون كولومب صالحًا تمامًا، فسيسمح ذلك بوجود مجال كهربائي داخل موصل أجوف عندما يتعرض لحقل كهربائي خارجي. يوفر هذا وسيلة لاختبارات الدقة لقانون كولومب . ^[35] حددت النتيجة الصفرية لمثل هذه التجربة حدًا m ≲10 ⁻¹⁴  إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة . ^[36]

تم الحصول على حدود عليا أكثر وضوحًا لكتلة الضوء في التجارب المصممة للكشف عن التأثيرات الناجمة عن جهد المتجه المجري . على الرغم من أن جهد المتجه المجري كبير لأن المجال المغناطيسي المجري موجود على مقاييس طول كبيرة، إلا أن المجال المغناطيسي فقط سيكون قابلاً للملاحظة إذا كان الفوتون عديم الكتلة. في حالة أن الفوتون لديه كتلة، فإن مصطلح الكتلة ⁠1/2⁠ م ² أ _μ أ ^μ من شأنه أن يؤثر على البلازما المجرية. وحقيقة عدم رؤية مثل هذه التأثيرات تعني وجود حد أعلى لكتلة الفوتون م <3 × 10 ⁻²⁷  إلكترون فولت/ ثانية ² . ^[37] يمكن أيضًا فحص جهد المتجه المجري مباشرةً عن طريق قياس عزم الدوران المطبق على حلقة ممغنطة. ^[38] تم استخدام مثل هذه الأساليب للحصول على الحد الأعلى الأكثر حدة لـ1.07 × 10 ⁻²⁷  إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة (ما يعادل10 ⁻³⁶  دالتون ) كما قدمتها مجموعة بيانات الجسيمات . ^[39]

لقد ثبت أن هذه الحدود الحادة الناتجة عن عدم ملاحظة التأثيرات الناجمة عن إمكانات المتجه المجري تعتمد على النموذج. ^[40] إذا تم توليد كتلة الفوتون من خلال آلية هيغز ، فإن الحد الأعلى لـ m ≲10 ⁻¹⁴  إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة من اختبار قانون كولومب صحيح.

في معظم النظريات حتى القرن الثامن عشر، تم تصوير الضوء على أنه مكون من جسيمات. نظرًا لأن نماذج الجسيمات لا يمكنها بسهولة تفسير انكسار الضوء وحيوده وازدواجية انكساره ، فقد اقترح رينيه ديكارت (1637)، ^[41] وروبرت هوك (1665)، ^[42] وكريستيان هويجنز (1678) نظريات الموجة للضوء؛ ^{[43] ومع ذلك} ، ظلت نماذج الجسيمات مهيمنة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تأثير إسحاق نيوتن . ^[44] في أوائل القرن التاسع عشر، أظهر توماس يونج وأوغست فرينل بوضوح تداخل الضوء وحيوده، وبحلول عام 1850 تم قبول نماذج الموجة بشكل عام. ^{[45] يبدو أن} تنبؤ جيمس كليرك ماكسويل عام 1865 ^[46] بأن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية - والذي تم تأكيده تجريبياً في عام 1888 من خلال اكتشاف هاينريش هيرتز للموجات الراديوية ^[47] - كان الضربة النهائية لنماذج الجسيمات للضوء.

ومع ذلك، لا تفسر نظرية موجة ماكسويل جميع خصائص الضوء. تتنبأ نظرية ماكسويل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها ، وليس على ترددها ؛ ومع ذلك، تظهر العديد من الأنواع المستقلة من التجارب أن الطاقة التي ينقلها الضوء إلى الذرات تعتمد فقط على تردد الضوء، وليس على شدته. على سبيل المثال، لا يتم استفزاز بعض التفاعلات الكيميائية إلا بواسطة ضوء بتردد أعلى من عتبة معينة؛ الضوء بتردد أقل من العتبة، بغض النظر عن مدى شدته، لا يبدأ التفاعل. وبالمثل، يمكن إخراج الإلكترونات من صفيحة معدنية عن طريق تسليط ضوء بتردد عالٍ بما فيه الكفاية عليها ( التأثير الكهروضوئي )؛ ترتبط طاقة الإلكترون المنبعث فقط بتردد الضوء، وليس بشدته. ^{[48] [د]}

في الوقت نفسه، بلغت التحقيقات في إشعاع الجسم الأسود التي أجريت على مدى أربعة عقود (1860-1900) من قبل باحثين مختلفين ^[50] ذروتها في فرضية ماكس بلانك [ ^{51] [52]} بأن طاقة أي نظام يمتص أو يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا بتردد ν هي مضاعف صحيح لكمية الطاقة E = hν . وكما أظهر ألبرت أينشتاين ، ^{[10] [53]} يجب افتراض شكل من أشكال كمية الطاقة لتفسير التوازن الحراري الملحوظ بين المادة والإشعاع الكهرومغناطيسي ؛ ولهذا التفسير للتأثير الكهروضوئي، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921. ^[54]

نظرًا لأن نظرية ماكسويل للضوء تسمح بكل الطاقات الممكنة للإشعاع الكهرومغناطيسي، فقد افترض معظم الفيزيائيين في البداية أن كمية الطاقة نتجت عن بعض القيود غير المعروفة على المادة التي تمتص أو تصدر الإشعاع. في عام 1905، كان أينشتاين أول من اقترح أن كمية الطاقة هي خاصية للإشعاع الكهرومغناطيسي نفسه. ^[10] وعلى الرغم من قبوله لصحة نظرية ماكسويل، أشار أينشتاين إلى أنه يمكن تفسير العديد من التجارب الشاذة إذا تم توطين طاقة موجة الضوء الماكسويلية في كميات تشبه النقاط تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض، حتى لو كانت الموجة نفسها منتشرة باستمرار عبر الفضاء. ^[10] في عامي 1909 ^[53] و1916، ^[55] أظهر أينشتاين أنه إذا تم قبول قانون بلانك فيما يتعلق بإشعاع الجسم الأسود، فيجب أن تحمل كميات الطاقة أيضًا زخمًا p = ⁠ ح / λ ⁠ ،مما يجعلها جسيمات كاملة النمو. وقد لاحظآرثر كومبتون،^[56]والذي حصل عنه على جائزة نوبل في عام 1927. كان السؤال المحوري إذن هو كيفية توحيد نظرية موجة الضوء لماكسويل مع طبيعتها الجسيمية المرصودة تجريبيًا. شغلت إجابة هذا السؤال ألبرت أينشتاين لبقية حياته،^[57]وتم حلها فيالديناميكا الكهربائية الكموميةوخليفتها،النموذج القياسي. (انظر§ نظرية المجال الكموميو§كبوزون مقياس، أدناه.)

تم التحقق من تنبؤات أينشتاين عام 1905 تجريبيًا بعدة طرق في العقدين الأولين من القرن العشرين، كما ورد في محاضرة روبرت ميليكان في جائزة نوبل. ^[58] ومع ذلك، قبل أن تُظهر تجربة كومبتون ^[56] أن الفوتونات تحمل زخمًا يتناسب مع رقم موجتها (1922)، ^{[ بحاجة لمصدر كامل ]} كان معظم علماء الفيزياء مترددين في الاعتقاد بأن الإشعاع الكهرومغناطيسي نفسه قد يكون جسيميًا. (انظر، على سبيل المثال، محاضرات نوبل التي ألقاها وين ، ^[50] وبلانك ^[52] وميليكان.) ^[58] وبدلاً من ذلك، كان هناك اعتقاد واسع النطاق بأن كمية الطاقة نتجت عن بعض القيود غير المعروفة على المادة التي تمتص أو تنبعث منها الإشعاع. تغيرت المواقف بمرور الوقت. يمكن إرجاع التغيير جزئيًا إلى تجارب مثل تلك التي تكشف عن تشتت كومبتون ، حيث كان من الصعب للغاية عدم نسب الكمية إلى الضوء نفسه لشرح النتائج المرصودة. ^[59]

حتى بعد تجربة كومبتون، قام نيلز بور وهندريك كرامرز وجون سلاتر بمحاولة أخيرة للحفاظ على نموذج المجال الكهرومغناطيسي المستمر ماكسويل للضوء، والذي يُسمى نظرية BKS . ^[60] ومن السمات المهمة لنظرية BKS كيفية تعاملها مع الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الزخم . في نظرية BKS، لا يتم الحفاظ على الطاقة والزخم إلا في المتوسط ​​عبر العديد من التفاعلات بين المادة والإشعاع. ومع ذلك، أظهرت تجارب كومبتون المكررة أن قوانين الحفاظ تنطبق على التفاعلات الفردية. ^[61] وبناءً على ذلك، أعطى بور وزملاؤه نموذجهم "جنازة مشرفة قدر الإمكان". ^[57] ومع ذلك، ألهمت إخفاقات نموذج BKS فيرنر هايزنبرغ في تطويره لميكانيكا المصفوفات . ^[62]

أصر عدد قليل من الفيزيائيين ^[63] على تطوير نماذج شبه كلاسيكية لا يتم فيها تحديد كمية الإشعاع الكهرومغناطيسي، ولكن يبدو أن المادة تطيع قوانين ميكانيكا الكم . وعلى الرغم من أن الأدلة من التجارب الكيميائية والفيزيائية على وجود الفوتونات كانت ساحقة بحلول سبعينيات القرن العشرين، إلا أنه لا يمكن اعتبار هذا الدليل قاطعًا تمامًا ؛ لأنه يعتمد على تفاعل الضوء مع المادة، ويمكن لنظرية كاملة للمادة أن تفسر الدليل من حيث المبدأ. ومع ذلك، تم دحض جميع النظريات شبه الكلاسيكية بشكل قاطع في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين من خلال تجارب ارتباط الفوتونات. ^[هـ] وبالتالي، فإن فرضية أينشتاين القائلة بأن التحديد الكمي هو خاصية للضوء نفسه تعتبر مثبتة.

تخضع الفوتونات لقوانين ميكانيكا الكم، وبالتالي فإن سلوكها له جوانب تشبه الموجة والجسيمات. عندما يتم اكتشاف فوتون بواسطة أداة قياس، يتم تسجيله كوحدة جسيمية واحدة. ومع ذلك، يتم حساب احتمال اكتشاف فوتون من خلال معادلات تصف الموجات. يُعرف هذا المزيج من الجوانب باسم ازدواجية الموجة والجسيم . على سبيل المثال، يعرض توزيع الاحتمالات للموقع الذي قد يتم فيه اكتشاف فوتون بوضوح ظواهر شبيهة بالموجة مثل الانعراج والتداخل . يتم استقبال طاقة فوتون واحد يمر عبر شق مزدوج عند نقطة على الشاشة بتوزيع احتمالي يعطى بواسطة نمط التداخل الخاص به والذي تحدده معادلات موجة ماكسويل . ^[66] ومع ذلك، تؤكد التجارب أن الفوتون ليس نبضة قصيرة من الإشعاع الكهرومغناطيسي؛ سوف تنحرف موجات ماكسويل للفوتون، لكن طاقة الفوتون لا تنتشر أثناء انتشارها، ولا تنقسم هذه الطاقة عندما تواجه مقسم الشعاع . ^[67] بل إن الفوتون المستلم يتصرف كجسيم يشبه النقطة لأنه يتم امتصاصه أو انبعاثه ككل بواسطة أنظمة صغيرة بشكل تعسفي، بما في ذلك أنظمة أصغر بكثير من طوله الموجي، مثل النواة الذرية (≈10 ^{−15 م عبر) أو حتى} الإلكترون الشبيه بالنقطة .

في حين أن العديد من النصوص التمهيدية تعالج الفوتونات باستخدام التقنيات الرياضية لميكانيكا الكم غير النسبية، فإن هذا في بعض النواحي تبسيط مفرط محرج، حيث أن الفوتونات بطبيعتها نسبية جوهريًا. ولأن الفوتونات لها كتلة سكون صفرية ، فلا يمكن لأي دالة موجية محددة للفوتون أن تمتلك جميع الخصائص المألوفة من الدوال الموجية في ميكانيكا الكم غير النسبية. ^[f] لتجنب هذه الصعوبات، يستخدم الفيزيائيون نظرية الكم الثانية للفوتونات الموضحة أدناه، الديناميكا الكهربائية الكمومية ، حيث تكون الفوتونات إثارات كمية للأوضاع الكهرومغناطيسية. ^[72]

تتمثل صعوبة أخرى في إيجاد النظير المناسب لمبدأ عدم اليقين ، وهي فكرة تُنسب غالبًا إلى هايزنبرغ، الذي قدم المفهوم في تحليل تجربة فكرية تتضمن إلكترونًا وفوتونًا عالي الطاقة . ومع ذلك ، لم يقدم هايزنبرغ تعريفات رياضية دقيقة لما يعنيه "عدم اليقين" في هذه القياسات. يرجع الفضل في البيان الرياضي الدقيق لمبدأ عدم اليقين في الموضع والزخم إلى كينارد وبولي وويل . ^{[73] [74] ينطبق مبدأ عدم اليقين على المواقف التي يكون فيها للمجرب خيار قياس إحدى الكميتين "المترافقتين بشكل قانوني"} ، مثل موضع وزخم الجسيم. وفقًا لمبدأ عدم اليقين، بغض النظر عن كيفية تحضير الجسيم، فمن غير الممكن إجراء تنبؤ دقيق لكلا القياسين البديلين: إذا أصبحت نتيجة قياس الموضع أكثر يقينًا، تصبح نتيجة قياس الزخم أقل يقينًا، والعكس صحيح. ^[75] تقلل الحالة المتماسكة من عدم اليقين الكلي بقدر ما تسمح به ميكانيكا الكم. ^{[72] تستخدم} البصريات الكمومية الحالات المتماسكة لأنماط المجال الكهرومغناطيسي. هناك مقايضة تذكرنا بعلاقة عدم اليقين بين الموضع والزخم بين قياسات سعة الموجة الكهرومغناطيسية وطورها. ^[72] يتم التعبير عن هذا أحيانًا بشكل غير رسمي من حيث عدم اليقين في عدد الفوتونات الموجودة في الموجة الكهرومغناطيسية، وعدم اليقين في طور الموجة، . ومع ذلك، لا يمكن أن تكون هذه علاقة عدم يقين من نوع كينارد-باولي-ويل، لأنه على عكس الموضع والزخم، لا يمكن تمثيل الطور بواسطة عامل هيرميتي . ^[76] ${\displaystyle \دلتا ن}$${\displaystyle \Delta \phi }$${\displaystyle \phi }$

في عام 1924، استنتج ساتيندرا ناث بوز قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود دون استخدام أي كهرومغناطيسية، بل باستخدام تعديل العد الخشن لمساحة الطور . ^[77] أظهر أينشتاين أن هذا التعديل يعادل افتراض أن الفوتونات متطابقة تمامًا وأنها تعني "تفاعلًا غامضًا غير محلي"، ^{[78] [79]} يُفهم الآن على أنه المتطلب لحالة ميكانيكية كمية متماثلة . أدى هذا العمل إلى مفهوم الحالات المتماسكة وتطوير الليزر. في نفس الأوراق، وسع أينشتاين صيغة بوز إلى الجسيمات المادية (البوزونات) وتوقع أنها ستتكثف إلى أدنى حالة كمية لها عند درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية؛ تم رصد تكاثف بوز-أينشتاين هذا تجريبيًا في عام 1995. ^[80] واستخدمه لاحقًا لين هاو لإبطاء الضوء ثم إيقافه تمامًا في عامي 1999 ^[81] و2001. ^[82]

إن النظرة الحديثة لهذا الأمر هي أن الفوتونات هي، بحكم دورانها الصحيح، بوزونات (على عكس الفرميونات ذات الدوران نصف الصحيح). وفقًا لنظرية إحصائيات الدوران ، تخضع جميع البوزونات لإحصائيات بوز-أينشتاين (بينما تخضع جميع الفرميونات لإحصائيات فيرمي-ديراك ). ^[83]

في عام 1916، أظهر ألبرت أينشتاين أن قانون إشعاع بلانك يمكن اشتقاقه من معالجة إحصائية شبه كلاسيكية للفوتونات والذرات، مما يعني وجود رابط بين المعدلات التي تنبعث بها الذرات وتمتص الفوتونات. يتبع الشرط من افتراض أن وظائف الانبعاث والامتصاص للإشعاع بواسطة الذرات مستقلة عن بعضها البعض، وأن التوازن الحراري يتم عن طريق تفاعل الإشعاع مع الذرات. ضع في اعتبارك تجويفًا في حالة توازن حراري مع جميع أجزائه ومليئًا بالإشعاع الكهرومغناطيسي وأن الذرات يمكنها إصدار وامتصاص هذا الإشعاع. يتطلب التوازن الحراري أن تكون كثافة طاقة الفوتونات ذات التردد (والتي تتناسب مع كثافة عددها ) ثابتة في المتوسط ​​بمرور الوقت؛ وبالتالي، يجب أن يساوي المعدل الذي تنبعث به الفوتونات بأي تردد معين المعدل الذي يتم امتصاصها به . ^[84]${\displaystyle \rho (\nu )}$${\displaystyle \nu }$

بدأ أينشتاين بفرضية علاقات التناسب البسيطة لمعدلات التفاعل المختلفة المعنية. في نموذجه، فإن معدل امتصاص النظام لفوتون ذي تردد وانتقاله من طاقة أقل إلى طاقة أعلى يتناسب مع عدد الذرات ذات الطاقة وكثافة طاقة الفوتونات المحيطة بهذا التردد، ${\displaystyle R_{جي}}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle E_{j}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle N_{j}}$${\displaystyle E_{j}}$${\displaystyle \rho (\nu )}$

${\displaystyle R_{ji}=N_{j}B_{ji}\rho (\nu )\!}$

حيث هو معدل ثابت الامتصاص. بالنسبة للعملية العكسية، هناك احتمالان: الانبعاث التلقائي للفوتون، أو انبعاث الفوتون الذي بدأ بتفاعل الذرة مع فوتون عابر وعودة الذرة إلى حالة الطاقة المنخفضة. باتباع نهج أينشتاين، فإن المعدل المقابل لانبعاث الفوتونات ذات التردد والانتقال من طاقة أعلى إلى طاقة أقل هو ${\displaystyle B_{جي}}$${\displaystyle R_{ij}}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle E_{j}}$

${\displaystyle R_{ij}=N_{i}A_{ij}+N_{i}B_{ij}\rho (\nu )\!}$

حيث هو ثابت المعدل لانبعاث فوتون تلقائيًا ، و هو ثابت المعدل للانبعاثات استجابةً للفوتونات المحيطة ( الانبعاث المستحث أو المحفز ). في حالة التوازن الديناميكي الحراري، يجب أن يكون عدد الذرات في الحالة وتلك الموجودة في الحالة ثابتًا في المتوسط؛ وبالتالي، يجب أن تكون المعدلات و متساوية. أيضًا، من خلال الحجج المشابهة لاشتقاق إحصاءات بولتزمان ، فإن نسبة و هي حيث و هما انحطاط الحالة و انحطاط ، على التوالي، وطاقاتهما ، ثابت بولتزمان ودرجة حرارة النظام . ومن هذا، يُستنتج بسهولة أن ${\displaystyle A_{ij}}$${\displaystyle B_{ij}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$${\displaystyle R_{جي}}$${\displaystyle R_{ij}}$${\displaystyle N_{i}}$${\displaystyle N_{j}}$${\displaystyle g_{i}/g_{j}\exp {(E_{j}-E_{i})/(kT)},}$${\displaystyle g_{i}}$${\displaystyle g_{j}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle E_{j}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle T}$

${\displaystyle g_{i}B_{ij}=g_{j}B_{ji}}$و

${\displaystyle A_{ij}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ij}.}$

تُعرف و بشكل جماعي باسم معاملات أينشتاين . ^[85]${\displaystyle A_{ij}}$${\displaystyle B_{ij}}$

لم يستطع أينشتاين تبرير معادلات المعدل الخاصة به بشكل كامل، لكنه ادعى أنه يجب أن يكون من الممكن حساب المعاملات ، وبمجرد أن حصل الفيزيائيون على "ميكانيكا وكهروديناميكا معدلة لاستيعاب فرضية الكم". ^[86] بعد ذلك بوقت قصير، في عام 1926، استنتج بول ديراك ثوابت المعدل باستخدام نهج شبه كلاسيكي، ^[87] وفي عام 1927، نجح في اشتقاق جميع ثوابت المعدل من المبادئ الأولى في إطار نظرية الكم. ^{[88] [89]} كان عمل ديراك هو الأساس للديناميكا الكهربائية الكمومية، أي كمية المجال الكهرومغناطيسي نفسه. يُطلق على نهج ديراك أيضًا التكميم الثاني أو نظرية المجال الكمومي ؛ ^{[90] [91] [92]} تعامل المعالجات الميكانيكية الكمومية السابقة جزيئات المواد فقط على أنها ميكانيكية كمومية، وليس المجال الكهرومغناطيسي. ${\displaystyle A_{ij}}$${\displaystyle B_{جي}}$${\displaystyle B_{ij}}$${\displaystyle B_{ij}}$

كان أينشتاين منزعجًا من حقيقة أن نظريته بدت غير مكتملة، لأنها لم تحدد اتجاه الفوتون المنبعث تلقائيًا. كان نيوتن أول من نظر في الطبيعة الاحتمالية لحركة جسيم الضوء في معالجته للازدواجية الانكسارية ، وبشكل عام، انقسام أشعة الضوء عند الواجهات إلى شعاع منقول وشعاع منعكس. افترض نيوتن أن المتغيرات المخفية في جسيم الضوء تحدد أي من المسارين سيتخذه فوتون واحد. ^[44] وبالمثل، كان أينشتاين يأمل في نظرية أكثر اكتمالاً لا تترك شيئًا للصدفة، فبدأ انفصاله ^[57] عن ميكانيكا الكم. ومن عجيب المفارقات أن التفسير الاحتمالي لماكس بورن لدالة الموجة [ ^{93] [94]} كان مستوحى من عمل أينشتاين اللاحق في البحث عن نظرية أكثر اكتمالاً. ^[95]

في عام 1910، استنتج بيتر ديباي قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود من افتراض بسيط نسبيًا. ^[96] قام بتحليل المجال الكهرومغناطيسي في تجويف إلى أوضاع فورييه الخاصة به ، وافترض أن الطاقة في أي وضع كانت مضاعفًا صحيحًا لـ ، حيث هو تردد الوضع الكهرومغناطيسي. يتبع قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود على الفور كمجموع هندسي. ومع ذلك، فشل نهج ديباي في إعطاء الصيغة الصحيحة لتقلبات طاقة إشعاع الجسم الأسود، والتي استنتجها أينشتاين في عام 1909. ^[53]${\displaystyle h\nu }$${\displaystyle \nu }$

في عام 1925، أعاد بورن وهايزنبرغ وجوردان تفسير مفهوم ديباي بطريقة رئيسية. ^[97] وكما قد يُظهَر بشكل كلاسيكي، فإن أوضاع فورييه للمجال الكهرومغناطيسي - مجموعة كاملة من الموجات المستوية الكهرومغناطيسية المُفهرسة بواسطة متجه الموجة k وحالة الاستقطاب - تعادل مجموعة من المذبذبات التوافقية البسيطة غير المقترنة . عند معالجتها ميكانيكا الكم، يُعرف أن مستويات الطاقة لمثل هذه المذبذبات هي ، حيث هو تردد المذبذب. كانت الخطوة الجديدة الرئيسية هي تحديد وضع كهرومغناطيسي بطاقة كحالة مع الفوتونات، كل منها بطاقة . يعطي هذا النهج صيغة تقلب الطاقة الصحيحة. ${\displaystyle E=nh\nu }$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle E=nh\nu }$${\displaystyle n}$${\displaystyle h\nu }$

لقد ذهب ديراك إلى أبعد من ذلك. ^{[88] [89]} لقد عالج التفاعل بين الشحنة والحقل الكهرومغناطيسي باعتباره اضطرابًا صغيرًا يحفز انتقالات في حالات الفوتون، مما يغير أعداد الفوتونات في الأوضاع، مع الحفاظ على الطاقة والزخم بشكل عام. كان ديراك قادرًا على استنباط معاملات أينشتاين من المبادئ الأولى، وأظهر أن إحصائيات بوز-أينشتاين للفوتونات هي نتيجة طبيعية لكمية المجال الكهرومغناطيسي بشكل صحيح (ذهب منطق بوز في الاتجاه المعاكس؛ لقد اشتق قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود بافتراض إحصائيات B-E). في زمن ديراك، لم يكن معروفًا بعد أن جميع البوزونات، بما في ذلك الفوتونات، يجب أن تخضع لإحصائيات بوز-أينشتاين. ${\displaystyle A_{ij}}$${\displaystyle B_{ij}}$

يمكن أن تتضمن نظرية الاضطراب من الدرجة الثانية لديراك فوتونات افتراضية ، وهي حالات وسيطة مؤقتة للحقل الكهرومغناطيسي؛ حيث يتم التوسط في التفاعلات الكهربائية والمغناطيسية الساكنة بواسطة مثل هذه الفوتونات الافتراضية. في مثل هذه النظريات للحقل الكمومي ، يتم حساب سعة احتمالية الأحداث القابلة للملاحظة من خلال جمع جميع الخطوات الوسيطة الممكنة، حتى تلك التي ليست مادية؛ وبالتالي، لا يتم تقييد الفوتونات الافتراضية لإرضاء ، وقد يكون لها حالات استقطاب إضافية ؛ اعتمادًا على المقياس المستخدم، قد يكون للفوتونات الافتراضية ثلاث أو أربع حالات استقطاب، بدلاً من حالتي الفوتونات الحقيقية. على الرغم من أنه لا يمكن ملاحظة هذه الفوتونات الافتراضية المؤقتة أبدًا، إلا أنها تساهم بشكل ملموس في احتمالات الأحداث القابلة للملاحظة. ^[98]${\displaystyle E=pc}$

في الواقع، يمكن لمثل هذه الحسابات للاضطرابات من الدرجة الثانية والأعلى أن تقدم مساهمات لا نهائية على ما يبدو في المجموع. يتم تصحيح مثل هذه النتائج غير المادية باستخدام تقنية إعادة التطبيع . ^[99]

قد تساهم جسيمات افتراضية أخرى في الجمع أيضًا؛ على سبيل المثال، قد يتفاعل فوتونان بشكل غير مباشر من خلال أزواج إلكترون - بوزيترون افتراضية . ^[100] من المفترض أن يكون تشتت الفوتون - الفوتون (انظر فيزياء الفوتونين )، بالإضافة إلى تشتت الإلكترون - الفوتون، أحد طرق تشغيل مسرع الجسيمات المخطط له، المصادم الخطي الدولي . ^[101]

في تدوين الفيزياء الحديثة ، تُكتب الحالة الكمومية للمجال الكهرومغناطيسي على هيئة حالة فوك ، وهي حاصل ضرب موتر للحالات لكل وضع كهرومغناطيسي

${\displaystyle |n_{k_{0}}\rangle \otimes |n_{k_{1}}\rangle \otimes \dots \otimes |n_{k_{n}}\rangle \dots }$

حيث يمثل الحالة التي تكون فيها الفوتونات في الوضع . في هذا الترميز، يتم كتابة إنشاء فوتون جديد في الوضع (على سبيل المثال، المنبعث من انتقال ذري) على النحو التالي . يعبر هذا الترميز فقط عن مفهوم بورن وهايزنبرج وجوردان الموصوف أعلاه، ولا يضيف أي فيزياء. ${\displaystyle |n_{k_{i}}\rangle }$${\displaystyle \,n_{k_{i}}}$${\displaystyle k_{i}}$${\displaystyle k_{i}}$${\displaystyle |n_{k_{i}}\rangle \rightarrow |n_{k_{i}}+1\rangle }$

يمكن فهم المجال الكهرومغناطيسي كمجال قياسي ، أي كمجال ينتج عن اشتراط أن يكون تماثل القياس ثابتًا بشكل مستقل في كل موضع في الزمكان . ^[102] بالنسبة للمجال الكهرومغناطيسي ، فإن تماثل القياس هذا هو تماثل Abelian U(1) للأعداد المركبة ذات القيمة المطلقة 1، والذي يعكس القدرة على تغيير طور المجال المعقد دون التأثير على القابليات للملاحظة أو الدوال ذات القيمة الحقيقية المكونة منه، مثل الطاقة أو لاجرانج .

يجب أن تكون كميات حقل مقياس أبيليان عبارة عن بوزونات عديمة الكتلة وغير مشحونة، طالما لم يتم كسر التناظر؛ وبالتالي، يُتوقع أن يكون الفوتون عديم الكتلة، وأن يكون له شحنة كهربائية صفرية ودوران صحيح. يحدد الشكل الخاص للتفاعل الكهرومغناطيسي أن الفوتون يجب أن يكون له دوران ±1؛ وبالتالي، يجب أن يكون لولبيته . يتوافق مكونا الدوران هذان مع المفاهيم الكلاسيكية للضوء الدائري المستقطب الأيمن والأيسر . ومع ذلك، قد تتبنى الفوتونات الافتراضية العابرة للديناميكا الكهربائية الكمومية أيضًا حالات استقطاب غير فيزيائية. ^[102]${\displaystyle \pm \hbar }$

في النموذج القياسي السائد للفيزياء، يعد الفوتون واحدًا من أربعة بوزونات قياس في التفاعل الكهروضعيف ؛ أما الثلاثة الأخرى فيرمز لها بـ W ⁺ وW ⁻ وZ ⁰ وهي مسؤولة عن التفاعل الضعيف . وعلى عكس الفوتون، فإن هذه البوزونات القياس لها كتلة ، وذلك بسبب آلية تكسر تماثلها القياس SU(2) . وقد تم تحقيق توحيد الفوتون مع بوزونات القياس W وZ في التفاعل الكهروضعيف بواسطة شيلدون جلاشو وعبد السلام وستيفن وينبرج ، وقد مُنحوا جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 عن ذلك. ^{[103] [104] [105]} ويواصل الفيزيائيون طرح فرضيات نظريات موحدة كبرى تربط هذه البوزونات القياس الأربعة ببوزونات القياس الثمانية للغلوون في الديناميكا اللونية الكمومية ؛ ومع ذلك، فإن التنبؤات الرئيسية لهذه النظريات، مثل اضمحلال البروتون ، لم يتم ملاحظتها تجريبيًا. ^[106]

تُظهر قياسات التفاعل بين الفوتونات النشطة والهادرونات أن التفاعل أكثر كثافة بكثير مما هو متوقع من تفاعل الفوتونات فقط مع الشحنة الكهربائية للهادرون. علاوة على ذلك، فإن تفاعل الفوتونات النشطة مع البروتونات يشبه تفاعل الفوتونات مع النيوترونات ^[107] على الرغم من حقيقة أن هياكل الشحنة الكهربائية للبروتونات والنيوترونات مختلفة بشكل كبير. تم تطوير نظرية تسمى هيمنة الميزون المتجه (VMD) لشرح هذا التأثير. وفقًا لـ VMD، فإن الفوتون هو تراكب للفوتون الكهرومغناطيسي النقي، والذي يتفاعل فقط مع الشحنات الكهربائية، والميزونات المتجهة، التي تتوسط القوة النووية المتبقية . ^[108] ومع ذلك، إذا تم فحصه تجريبياً على مسافات قصيرة جدًا، يبدو أن البنية الجوهرية للفوتون تحتوي كمكونات على تدفق محايد للشحنة من الكواركات والغلونات، شبه خالٍ وفقًا للحرية المقاربة في QCD . يتم وصف هذا التدفق بواسطة دالة بنية الفوتون . ^{[109] [110]} قدمت مراجعة أجراها نيسيوس (2000) مقارنة شاملة للبيانات مع التوقعات النظرية. ^[111]

تقل طاقة النظام الذي يصدر فوتونًا بمقدار طاقة الفوتون كما تم قياسها في إطار الراحة للنظام المنبعث، مما قد يؤدي إلى انخفاض في الكتلة بمقدار . وبالمثل، تزداد كتلة النظام الذي يمتص فوتونًا بمقدار مماثل. كتطبيق، عادةً ما يتم كتابة توازن الطاقة للتفاعلات النووية التي تنطوي على فوتونات من حيث كتل النوى المعنية، وشروط الشكل لفوتونات جاما (وللطاقات الأخرى ذات الصلة، مثل طاقة الارتداد للنوى). ^[112]${\displaystyle E}$${\displaystyle E/c^2}$${\displaystyle E/c^2}$

يتم تطبيق هذا المفهوم في التنبؤات الرئيسية للديناميكا الكهربائية الكمومية (QED، انظر أعلاه). في هذه النظرية، يتم تعديل كتلة الإلكترونات (أو بشكل عام، اللبتونات) عن طريق تضمين مساهمات كتلة الفوتونات الافتراضية، في تقنية تُعرف باسم إعادة التطبيع . تساهم مثل هذه " التصحيحات الإشعاعية " في عدد من التنبؤات الخاصة بـ QED، مثل عزم ثنائي القطب المغناطيسي لليبتونات ، وتحول لامب ، والبنية الدقيقة للغاية لأزواج اللبتونات المرتبطة ، مثل الميونيوم والبوزيترونيوم . ^[113]

نظرًا لأن الفوتونات تساهم في موتر الإجهاد والطاقة ، فإنها تمارس جاذبية على الأجسام الأخرى، وفقًا لنظرية النسبية العامة . وعلى العكس من ذلك، تتأثر الفوتونات نفسها بالجاذبية؛ فقد تنحني مساراتها المستقيمة عادةً بسبب الزمكان المشوه ، كما في العدسة الجاذبية ، وقد تنخفض تردداتها عن طريق التحرك إلى جهد جاذبية أعلى ، كما في تجربة باوند-ريبكا . ومع ذلك، فإن هذه التأثيرات ليست خاصة بالفوتونات؛ يمكن التنبؤ بنفس التأثيرات تمامًا للموجات الكهرومغناطيسية الكلاسيكية . ^[114]

الضوء الذي يسافر عبر المادة الشفافة يفعل ذلك بسرعة أقل من سرعة الضوء في الفراغ ( c) . يُطلق على العامل الذي تقل به السرعة معامل الانكسار للمادة. في صورة الموجة الكلاسيكية، يمكن تفسير التباطؤ من خلال الضوء الذي يحفز الاستقطاب الكهربائي في المادة، والمادة المستقطبة تشع ضوءًا جديدًا، ويتداخل هذا الضوء الجديد مع موجة الضوء الأصلية لتشكيل موجة متأخرة. في صورة الجسيمات، يمكن وصف التباطؤ بدلاً من ذلك بأنه مزيج من الفوتون مع الإثارات الكمومية للمادة لإنتاج شبه جسيمات تُعرف باسم البولاريتونات . تتمتع البولاريتونات بكتلة فعالة غير صفرية ، مما يعني أنها لا تستطيع السفر بسرعة (c) . قد يسافر ضوء بترددات مختلفة عبر المادة بسرعات مختلفة ؛ وهذا ما يسمى بالتشتت (لا ينبغي الخلط بينه وبين التشتت). في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي ذلك إلى سرعات بطيئة للغاية للضوء في المادة. يمكن ملاحظة تأثيرات تفاعلات الفوتون مع الجسيمات شبه الذرية الأخرى بشكل مباشر في تشتت رامان وتشتت بريلون . ^[115]

يمكن أن تتشتت الفوتونات بواسطة المادة. على سبيل المثال، تتشتت الفوتونات عدة مرات في المنطقة الإشعاعية الشمسية بعد مغادرة قلب الشمس بحيث تستغرق الطاقة الإشعاعية حوالي مليون سنة للوصول إلى منطقة الحمل الحراري . ^{[116] ومع ذلك، تستغرق الفوتونات المنبعثة من} الغلاف الضوئي للشمس 8.3 دقيقة فقط للوصول إلى الأرض. ^[117]

يمكن أيضًا امتصاص الفوتونات بواسطة النوى أو الذرات أو الجزيئات، مما يؤدي إلى حدوث انتقالات بين مستويات طاقتها . ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك الانتقال الجزيئي للشبكية (C ₂₀ H ₂₈ O)، وهو المسؤول عن الرؤية ، كما اكتشفه عالم الكيمياء الحيوية الحائز على جائزة نوبل جورج والد وزملاؤه في عام 1958. يثير الامتصاص تماثلًا سيس-ترانس ، والذي يتحول، بالاقتران مع مثل هذه الانتقالات الأخرى، إلى نبضات عصبية. يمكن أن يؤدي امتصاص الفوتونات حتى إلى كسر الروابط الكيميائية، كما هو الحال في التفكك الضوئي للكلور ؛ هذا هو موضوع الكيمياء الضوئية . ^{[118] [119]}

للفوتونات العديد من التطبيقات في التكنولوجيا. تم اختيار هذه الأمثلة لتوضيح تطبيقات الفوتونات في حد ذاتها ، بدلاً من الأجهزة البصرية العامة مثل العدسات وما إلى ذلك التي يمكن أن تعمل وفقًا لنظرية الضوء الكلاسيكية. يعد الليزر تطبيقًا مهمًا وتم مناقشته أعلاه تحت عنوان الانبعاث المحفز .

يمكن اكتشاف الفوتونات الفردية بعدة طرق. يستغل أنبوب المضاعف الضوئي الكلاسيكي التأثير الكهروضوئي : يصطدم فوتون ذو طاقة كافية بلوحة معدنية ويدفع إلكترونًا ليتحرر، مما يؤدي إلى نشوء طوفان متزايد التضخيم من الإلكترونات. تستخدم شرائح الأجهزة المقترنة بالشحنة شبه الموصلة تأثيرًا مشابهًا: يولد الفوتون الساقط شحنة على مكثف مجهري يمكن اكتشافه. تستخدم أجهزة الكشف الأخرى مثل عدادات جايجر قدرة الفوتونات على تأين جزيئات الغاز الموجودة في الجهاز، مما يتسبب في حدوث تغيير قابل للكشف في توصيل الغاز. ^[120]

غالبًا ما يستخدم المهندسون والكيميائيون صيغة طاقة بلانك في التصميم، سواء لحساب التغير في الطاقة الناتج عن امتصاص الفوتون أو لتحديد تردد الضوء المنبعث من انبعاث فوتون معين. على سبيل المثال، يمكن تغيير طيف الانبعاث لمصباح التفريغ الغازي عن طريق ملئه بـ (مزيج من) الغازات ذات تكوينات مختلفة لمستويات الطاقة الإلكترونية . ^[121]${\displaystyle E=h\nu }$

في بعض الظروف، يمكن إثارة انتقال الطاقة بواسطة "فوتونين" لا يكفيان بشكل فردي. وهذا يسمح بمجهر بدقة أعلى، لأن العينة تمتص الطاقة فقط في الطيف حيث يتداخل شعاعان من ألوان مختلفة بشكل كبير، والذي يمكن أن يكون أصغر بكثير من حجم إثارة شعاع واحد (انظر مجهر إثارة فوتونين ). علاوة على ذلك، تسبب هذه الفوتونات ضررًا أقل للعينة، لأنها ذات طاقة أقل. ^[122]

في بعض الحالات، يمكن ربط انتقالين للطاقة بحيث يمتص نظام واحد فوتونًا، "يسرق" نظام آخر قريب طاقته ويعيد إصدار فوتون بتردد مختلف. هذا هو أساس نقل طاقة الرنين الفلوري ، وهي تقنية تستخدم في علم الأحياء الجزيئي لدراسة تفاعل البروتينات المناسبة . ^[123]

تتضمن عدة أنواع مختلفة من مولدات الأرقام العشوائية للأجهزة اكتشاف فوتونات مفردة. في أحد الأمثلة، لكل بت في التسلسل العشوائي المراد إنتاجه، يتم إرسال فوتون إلى مقسم الشعاع . في مثل هذه الحالة، توجد نتيجتان محتملتان باحتمالية متساوية. تُستخدم النتيجة الفعلية لتحديد ما إذا كان البت التالي في التسلسل هو "0" أو "1". ^{[124] [125]}

لقد تم تخصيص الكثير من الأبحاث لتطبيقات الفوتونات في مجال البصريات الكمومية . يبدو أن الفوتونات مناسبة تمامًا لتكون عناصر لجهاز كمبيوتر كمي سريع للغاية ، والتشابك الكمي للفوتونات هو محور البحث. العمليات البصرية غير الخطية هي مجال بحث نشط آخر، مع مواضيع مثل امتصاص فوتونين ، وتعديل الطور الذاتي ، وعدم استقرار التعديل والمذبذبات البارامترية البصرية . ومع ذلك، لا تتطلب مثل هذه العمليات عمومًا افتراض الفوتونات في حد ذاتها ؛ غالبًا ما يمكن نمذجتها عن طريق التعامل مع الذرات كمذبذبات غير خطية. غالبًا ما تُستخدم العملية غير الخطية للتحويل التنازلي البارامترية التلقائية لإنتاج حالات فوتون واحد. أخيرًا، تعد الفوتونات ضرورية في بعض جوانب الاتصالات البصرية ، وخاصة للتشفير الكمي . ^[126]

تدرس فيزياء الفوتونين التفاعلات بين الفوتونات، وهي نادرة. في عام 2018، أعلن باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن اكتشاف ثلاثيات فوتونية مقيدة، والتي قد تنطوي على بولاريتونات . ^{[127] [128]}

• اقتباسات متعلقة بالفوتون في ويكي الاقتباس
• تعريف الفوتون في القاموس على ويكاموس
• الوسائط المتعلقة بالفوتون في ويكيميديا ​​كومنز