Přesná odpověď fyziky, není ani jednoduchá, ani intuitivní.

Když se řekne foton, většina lidí si představí miniaturní „balíček světla“, malou částici letící prostorem. V učebnicích se tak opravdu často popisuje. Realita moderní fyziky je však mnohem hlubší, méně intuitivní – a především mnohem zajímavější.

Foton jako teoretický konstrukt – ne klasická částice

V klasické fyzice je světlo vlnění. V kvantové fyzice se ale ukázalo, že při interakcích s hmotou se chová, jako by bylo tvořeno diskrétními jednotkami energie. Tyto jednotky nazval Einstein „kvanta světla“ – později fotony.

Pointa je zásadní:

Foton není „věc“, kterou bychom uměli přímo popsat v prostoru. Je to matematická konstrukce, která vysvětluje experimenty.

A co je důležité: nejde o objekt, o kterém bychom byli schopni říct, že má fyzikálně jednoznačně definovaný tvar nebo polohu.

Foton má různé významy podle oboru fyziky

Odborníci z různých oblastí termín „foton“ používají v odlišných kontextech:

Kvantová optika

Chápe foton jako prostorově rozprostřený objekt, který nemá přesnou frekvenci, dokud není detekován.

Často mluví o fotonech, které trvají mikrosekundy a šíří se na kilometrové vzdálenosti jako rozprostřený puls pole.

Částicová fyzika

Pracuje s fotony, které mají přesně definovanou energii, hybnost a chovají se jako bodové excitace při srážkách.

Paradox: oba popisy jsou správné, jen každý pro jiný druh experimentů.

Foton jako excitace pole – formální a nejlepší definice

V moderní fyzice (kvantová teorie pole) je foton definován takto:

Foton = excitace kvantovaného elektromagnetického pole.

Pole je primární entita. Fotony jsou jeho „kvantované vibrace“.

Když je elektromagnetické pole v tzv. Fockově stavu, kde existuje přesně jedna kvantová excitace, říkáme, že pole obsahuje jeden foton. Když se excitace vytvoří nebo zanikne, mluvíme o „vytvoření“ nebo „zničení“ fotonu.

Je to abstraktní, ale přesné.

Foton obvykle nelze lokalizovat

Zní to překvapivě, ale ve fyzice platí: Neexistuje smysluplný způsob, jak fotonu přiřadit přesnou polohu.

To není jen technický detail – je to hluboký princip. Fotony jsou excitace bez klidové hmotnosti, a ty se podle teorie pole nedají lokalizovat na malé oblasti prostoru bez zničení samotného kvantového stavu. Proto je intuitivní představa „malé částice světla letící po přímce“ nepřesná.

Počet fotonů není vždy definovaný

Časté nedorozumění: „světlo má určitý počet fotonů“.

To platí jen někdy. V obecné situaci je elektromagnetické pole v tzv. koherentním stavu, ve kterém:

– počet fotonů není přesně určen,
– existuje jen určitá statistická distribuce počtu fotonů,
– a přesná informace o počtu nemá fyzikální význam.

To je typické pro většinu běžného světla – laserové pulsy, žárovky, slunce, radiové vlny…

Foton jako „jednotka“ dává smysl jen v určitých speciálních situacích, kdy pole připravíme do přesně definovaného kvantového stavu.

Mnoho jevů jde vysvětlit i bez fotonu – alespoň částečně

Zajímavým poznatkem z odborné diskuse je to, že některé experimenty často uváděné jako „důkaz existence fotonů“ lze kvalitativně vysvětlit i bez konceptu fotonu, pomocí vlnové teorie a kvantové interakce s hmotou.

Patří sem například:

– fotoelektrický jev
– Comptonův rozptyl
– Planckovo záření černého tělesa

To neznamená, že fotony „neexistují“, ale že nejsou fundamentální ve smyslu klasické částice. Jsou nástrojem, jak kvantovat elektromagnetické pole a jak správně popsat jeho interakce s hmotou.

Konečná, nejpřesnější definice fotonu

Pro odborné použití se foton nejlépe definuje matematicky:

Foton je jednofotonový eigenstav operátoru počtu kvant elektromagnetického pole v kvantové teorii pole.

Je to tedy stav pole, nikoli objekt v prostoru.

Foton není částice v běžném slova smyslu

Je lákavé si foton představovat jako malou svítící částici, ale podle současné fyziky:

– je to excitace pole,
– nelze ji lokalizovat,
– její počet není obecně jednoznačný,
– její vlastnosti závisí na kontextu experimentu,
– a její „podstata“ je spíše matematický model než fyzikální objekt.

Přesto je koncept fotonu jedním z nejmocnějších nástrojů moderní fyziky – umožňuje pochopit a vypočítat obrovskou škálu jevů, od laserů přes GPS až po kosmologii.

Detailní fyzikální a matematické souvislosti pojmu foton

Foton v kvantové teorii pole: proč excitace a ne částice

V klasické teorii je elektromagnetické pole popsáno čtyřvektorem potenciálu. V kvantové teorii pole se tento potenciál stává operátorem, který lze zapsat ve tvaru:

   

kde:

   

je operátor zničení fotonu

   

je operátor vytvoření fotonu

   

značí polarizaci

   

je vlnový vektor

Jednofotonový stav je definován operátorem vytvoření působícím na vakuum:

   

Tento formalismus ukazuje, že fotony nejsou klasické částice s dobře definovanou polohou, ale kvantované módy elektromagnetického pole. Jejich existence a vlastnosti vyplývají z algebraických vztahů mezi operátory pole, nikoli z intuitivních představ o částici v prostoru.