История знаний о фотоне самая краткая и увлекательная. В школьных знаниях научная информация о фотоне представлена в фазе её начального формирования.

Это естественно, так как полные теоретические знания о фотоне уже так глубоки и так широки, что школьному интеллекту они оказываются не по силам, поэтому в школьном учебнике мы представляем знания о фотоне в обобщённом логически упрощённом виде, а в нашем университетском учебнике фотон описан шире и глубже [1], [2].

Первый правильный шаг к выявлению структуры фотона сделал английский учёный Алан Холден. Он представил совокупность фотонов, формирующих волну, в виде шариков (рис. 33, а). В результате возникла задача выявления внутренней структуры шариков, формирующих фотонную волну. Эта задача оказалась достаточно сложной. Она была решена лишь в России (рис. 33, b)..

Рис. 33: а) фотонная волна Алана Холдена; b) российская структура фотона

Вполне естественно, что последовательность выявления структуры фотона надо базировать на давно известных математических моделях, которые описывают его поведение в различных экспериментах.

В результате родилась структура фотона (рис. 33, b), в которой проявились все 7 констант фотона и неисчислимое количество математических формул, которые описывают поведение фотонов в различных экспериментальных процессах и явлениях.

Учёные более 100 лет искали корпускулярно-волновую теорию фотона, который приносит в наши глаза и приборы самый большой массив научной информации об окружающем нас мире и самое большое её разнообразие. Столь обширные свойства фотона естественным путём выводят его в лидеры познания обитателей микромира.

Изучение теории фотона требует умственных усилий по пониманию законов Природы, реализующих корпускулярно-волновую структуру фотона, движущегося в пространстве прямолинейно с постоянной скоростью

Осваивая новые знания, Вы вооружаетесь новыми критериями оценки их достоверности. Аксиома Единства пространства, материи и времени – главный из них. Её научные судейские функции, будучи выявленными, лишили научного авторитета многих наших предшественников.

Теперь аксиома Единства, но не академические титулы, - путеводная звезда в познании глубин мироздания.

Фотонную волну (рис. 33, а) формируют импульсы единичных фотонов, которые представлены в виде совокупности шариков (рис. 33, а). Шарики - это фотоны. Расстояние между импульсами фотонов (шариков) равно длине волны излучения, а длина волны каждого отдельного фотона (рис. 33, b) значительно меньше. Она определяет область его локализации в пространстве.

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 нам чёткую информацию об объекте, от которого они отразились. Известно, что длина волны световых фотонов изменяется в интервале (табл. 3).

Таблица 3. Параметры различных участков спектра фотонных излучений

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 с помощью старых физических теорий путем анализа необозримой экспериментальной информации о его поведении.

Известно, что в конце 19 века было объявлено, что законы классической физики успешно работают только в макромире, а в микромире работают другие – квантовые законы. Эта точка зрения была господствующей в течение всего ХХ века. И вот теперь, когда мы на базе законов классической физики выявили модели фотона, электрона, протона, нейтрона и принципы формирования ядер, атомов и молекул, возникает вопрос: а не ошиблись ли физики прошлых поколений, похоронив возможности классической физики решать задачи микромира? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательно проанализируем истоки недоверия к классической физике при поиске приемлемого варианта интерпретации экспериментальной информации об излучении абсолютно черного тела (рис. 34).

Рис. 34. а) графическая модель абсолютно черного тела; b) – зависимость плотности излучения абсолютно чёрного тела от длины волны, излучаемых фотонов

Все началось с установления Максом Планком закона (27) излучения абсолютно черного тела (рис. 34). Вначале Релей Джинс установил, что низкочастотный спектр Чёрного тела хорошо описывается формулой

(26)

Вывод этой формулы (26) базировался на представлении о существовании в замкнутой полости абсолютно чёрного тела (рис. 34, а) целого числа стоячих волн электромагнитного излучения с частотой .

Чтобы получить математическую модель, которая описывала бы весь спектр электромагнитного излучения чёрного тела, Макс Планк постулировал, что излучение идёт не непрерывно, а порциями так, что энергия каждой излучённой порции (кванта энергии рис. 33, а) оказывается равной и формула для расчёта плотности электромагнитного излучения абсолютно Чёрного тела, последовавшая из формулы (26) оказалась такой

. (27)

В теоретическом фундаменте фотоналежит константа Планка , входящая в совокупность многочисленных формул, описывающих поведение единичных фотонов и их совокупностей

(28)

где - частота колебаний центра масс фотона при прямолинейном его движении с постоянной скоростью .

Удивительно то, что из формулы (26) и из эксперимента следует, что при постоянстве константы Планка , длина волны фотона меняется в интервале

(29)

Как видно, выражение в формуле (27) играет роль некоторого существенного дополнения к формуле (26) Релея - Джинса, суть которого сводится к тому, что - энергия одного излученного фотона.

Планк ввел в математическую модель своего закона излучения абсолютно черного тела (27) константу с размерностью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения.

Тем не менее, его математическая модель (27) достаточно точно описывает экспериментальные зависимости этого излучения (рис. 34, b). Введенная им константа указывала на то, что излучение идет не непрерывно, а порциями. Это противоречило закону излучения Релея - Джинса, который базировался на представлениях о волновой природе электромагнитного излучения.

Конечно, чтобы понять физический смысл планковского дополнения надо иметь представление об электромагнитной структуре фотона, так как в этой структуре скрыт физический смысл самой постоянной Планка . Поскольку произведение описывает энергии единичных фотонов всей шкалы электромагнитного излучения, то в размерности постоянной Планка и скрыта электромагнитная структура фотона. Нами уже установлено теоретически, что фотон имеет такую вращающуюся электромагнитную структуру (рис. 33, b), центр масс которой описывает длину волны , равную радиусу его вращения. В результате окончательное математическое выражение константы Планка приняло вид

(30)

Как видно, константа Планка в такой записи имеет явную механическую размерность момента импульса. Из двух форм (30) записи константы Планка следует, что планковский закон излучения (27) абсолютно черного тела базируется на исключающих друг друга волновых и корпускулярных представлениях о природе излучения.

Несовместимость непрерывного волнового процесса излучения с парциальным процессом явилась веским основанием для признания кризиса классической физики. С этого момента физики начали полагать, что сфера действия законов классической физики ограничена макромиром, а в микромире, считают они, работают другие, квантовые законы, поэтому физика, описывающая микромир, должна называться квантовой физикой. Следует отметить, что Макс Планк пытался разобраться со смесью таких физических представлений и вернуть их на классический путь развития, но ему не удалось решить эту задачу.

В математической модели закона излучения абсолютно черного тела (27) присутствует математическая модель закона излучения Релея - Джинса (26). Спустя почти сто лет нам приходится констатировать, что граница между законами классической и квантовой физики до сих пор не установлена. По-прежнему испытываются значительные трудности при решении многих задач микромира и многие из них считаются не разрешимыми в рамках сложившихся понятий и представлений, поэтому мы вынуждены возвратиться к попытке Макса Планка выполнить вывод математической модели (27) закона излучения абсолютно черного тела на основе классических представлений. Мы сделали этот вывод в университетском учебнике.

Величина в формуле (30) - константа с механической размерностью действия. Причем смысл этого действия в то время был совершенно неясен. Тем не менее, математическая модель (27), полученная Планком, достаточно точно описывала экспериментальные закономерности излучения абсолютно черного тела (рис. 34, b).

Конечно, фотон не является твердым телом, но он имеет массу и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся относительно оси магнитная субстанция, то есть - магнитное поле. Из математической модели (30) постоянной Планка следует, что магнитная модель фотона должна быть такой, чтобы одновременное изменение массы , радиуса и частоты вращающихся магнитных полей фотона оставляло бы их произведение, отраженное в математическом выражении постоянной Планка (30), постоянным.

Например, с увеличением массы (энергии) фотона уменьшается длина его волны.Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (30) в модели фотона (рис. 33, b).

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса , то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 33, b) и за счет этого увеличиваются магнитные силы , сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс Е вращающихся полей. Это приводит к уменьшению радиуса вращения фотона, который всегда равен длине его волны . Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (30) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус вращения и линейную частоту так, что угловой момент (постоянная Планка - 30) остается постоянным. Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру (рис. 33, b), меняют массу, частоту и радиус вращения так, чтобы . То есть, принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса.

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью?То получается следующий ответ.

Потому что изменением массы фотона и его радиуса управляет закон локализации таким образом, что при увеличении массы фотона его радиус уменьшается и наоборот. Тогда для сохранения постоянства константы Планка при уменьшении радиуса частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение остаётся постоянным и равным скорости фотона. При этом скорость центра масс фотона (рис. 33, b) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной и не принимает отрицательных значений (рис. 35, d).

Таким образом, постоянством константы Планка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон сохранения момента импульса. Это - чистый классический механический закон, а не какое - то мистическое квантовое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математической модели закона излучения абсолютно черного тела (29) не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описывать процесс излучения фотонов этим телом (рис. 34, а и b). Наоборот, самый фундаментальный закон классической физики - закон сохранения момента импульса как раз и участвует в описании этого процесса (30).

Обратим особое внимание на то, что в спектре абсолютно чёрного тела присутствуют фотоны (рис. 34, b) разных радиусов , а максимумы температур (2000 и 1500 град. С, рис. 34, b) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых достаточно точно определяет формула Вина

. (31)

Например, максимумы температур 1500 и 2000 С (рис. 34, b) формируют совокупности фотонов с разными радиусами

. (32)

. (33)

Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000 С формируют видимые фотоны светового диапазона. Такая точка зрения - яркий пример ошибочности наших интуитивных представлений. Поясним её суть на следующем примере.

Солнечный морозный зимний день с температурой минус 30 град. Цельсия с хрустящим снегом под ногами. Обилие солнечного света формирует у нас иллюзию максимального количества световых фотонов, окружающих нас, и мы готовы уверенно констатировать, что находимся в среде фотонов со средней длиной волны (точнее теперь со средним радиусом) светового фотона (табл. 3). Но закон Вина (31) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн), равные (табл. 2).

(34)

Как видите, наша интуитивная ошибка более двух порядков. В яркий солнечный зимний день при морозе минус 30 градусов мы находимся в среде с максимальным количеством не световых, а инфракрасных фотонов с длинами волн (или радиусами) . Попутно отметим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в интервале 15 порядков (рис. 33, b). Самые большие радиусы ( ) имеют фотоны реликтового диапазона (табл. 3 и рис. 38), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие ( ) - гамма фотоны (табл. 3 и рис. 38) вообще не формируют никакую температуру. Формированием структур фотонов и их поведением управляют 7 констант.

Как видно (32 и 33), с уменьшением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы и мы сейчас убедимся в достоверности этого.

Считалось, что формула Вина (31) справедлива только для замкнутых систем (рис. 34). Однако, мы сейчас увидим, что она идеально описывает не только излучение абсолютно черного тела (рис. 34), как замкнутой системы, но и излучения Вселенной – абсолютно незамкнутой системы (рис. 36).