Sur la nature du photon. To the nature of photon. О природе фотона.
По следам интереснейших мыслей выдающегося французского физика Луи де Бройля о природе фотона, и у меня мелькнуло несколько мыслишек на ту же тему.
Вначале вкратце попробую передать соображения де Бройля, высказанные им в 1934 году, а затем вернувшегося к ним в годы пятидесятые (Гипотеза слияния).
Де Бойль высказал интересную гипотезу о том, что фотон является "составной частицей", обладающей спином 1 и состоящим из двух прочно связанных друг с другом частиц со спином ½.
В сoответствии с этой гипотезой позже, в 1936 году появилось так называемое уравнение Клейн-Гордона, которое, конечно же, по справедливости должно называться "уравнением Де Бройля -Клейна -Гордона" которое приводило к двум решениям. Одно для фотона со спином 0, если спины двух составляющих его частиц антипараллельны, несуществующего, и к другому, если спины параллельны, для фотона со спином 1, то есть реально существующему. В 1936 году появилось некое уравнение Прока, которое тоже следует назвать "уравнением Де Бройля-Прока", которое фактически повторяет работы де Бройля, приведённые ниже в библиографии.
Так что приоритет всех идей подобного рода за Луи де Бройлем!
Мне же хотелось бы высказать ряд мыслей по этому поводу.
Первая:
Де Бройль нигде не говорит, ЧТО это за частицы со спином ½?
Де Бройль высказывает мысль, что у такого фотона ("Фотона де Бройля") есть некая, пусть очень малая, "собственная масса".
Де Бройль предполагает, что обе эти частицы связаны в фотоне неким обменным мезоном, наподобие нуклонов в ядре.
Мои соображения на этот счёт следующие.
Первое. Де Бройль не мог знать о существовании античастиц. Поэтому теперь можно предположить, что этими частицами являются электрон и позитрон, для фотонов с энергией больше одного с лишним Мев. У обоих спин ½ и в сумме они дают спин фотона, равный 1. (предполагая, что их спины параллельны.)
Второе. Процесс известный под название "Фоторождение пар" , то есть превращение высокоэнергичного гамма-фотона в пару частица-античастица, даёт неплохое подтверждение вышевысказанной мысли.
Третье. Известно также из многочисленных экспериментов с фоторождением пар, что процесс этот реализуется ТОЛЬКО в непосредственной близости с каким-либо ядром. Фоторождение пар не наблюдается как самопроизвольный распад фотонов в вакууме. (Об этом возможном варианте распада - чуть ниже). Если верно предположение де Бройля о "виртуальном мезоне связи" двух указанных частиц, то легко заметить зависимость фоторождения пар от ядра: в непосредственной близости фотона к ядру происходит захват ядром "мезона связи" и пара распадается! Связующий частицу и античастицу элемент - виртуальный мезон, изымается из взаимодействия и, как следствие рождается пара.
Четвёртое. Наличие у фотона хоть и очень маленькой, но всё же некой "собственной массы" можно толковать лишь в смысле массы покоя, ибо у любого фотона масса, как и импульс, имеется. Но эта масса - есть масса движения. Массы покоя у фотона нет и быть не может, если верна Специальная Теория Относительности. Любая частица, с массой покоя, неравной нулю, согласно этой теории, не может быть ускорена до скорости света , ибо тогда по соотвествующим преобразованиям Эйнштейна её масса обращается в бесконечность. Это одна из самых проблематичных загадок "составного де Бройлевского фотона". Но, если мы предполагаем, что фотон "состоит" из пары частица и античастица, каждая из которых обладает массой покоя, то объяснение проблемы "небесконечности" становится возможным. Массы частицы и античастицы, связанных прочно друг с другом, НЕЙТРАЛИЗУЮТ друг друга и тем самым низводят массу покоя фотона до нуля. Правда, для этого необходимо предположить также, что массы заряженных частиц имеют сугубо электромагнитное происхождение. Но если сделать и такое допущение, то становится понятным весь механизм существования "составного фотона".
Пятое. В связи с вышепредложенным возникают два вопроса:
Все ли фотоны, или, шире, все ли кванты электромагнитной энергии, от радиоволн и до гамма излучения представляют собой такие "составные фотоны"?
Есть ли "энергетический предел" у гамма квантов.
Ответы на эти вопросы могут быть следубщими.
Вариант первый. Возможно, что есть по крайней мере два вида фотонов, составные (для энергий выше одного с лишним Мев), и низкоэнергичные для всех излучений менее "энергетических", "ашню" которых ниже упомянутой энергии гамма кванта. И они - НЕ составные.
Вариант второй. Допустив, что ВСЕ фотоны есть "составные де-Бройлевские фотоны", мы вынуждены предположить, что они являются некими парами более лёгких, чем электроны, гипотетических частиц и античастиц, неких суперлептонов, но связанных столь сильно, что даже действие ядра не может их разорвать. Или же это те же электрон и позитрон, но энергия связи между ними настолько велика, что для "лёгких" квантов электромагнитной энергии наблюдается сильнейший дефект масс.
При допущении этого варианта мы приходим ко второму вопросу. Есть ли энергетический предел для гамма-квантов? Если он есть, то есть где-то на шкале энергий наступает пауза или обрыв для гамма квантов, то можно предположить, что гамма кванты ведут себя подобно тяжёлым ядрам, то есть самораспадаются при достаточно больших "энергетических" зарядах, в них заключённых. Иными словами, должен наблюдаться самопроизвольный распад сверхмощных гамма фотонов на пары частица-античастица. Вплоть до гиперонов.
Bibliography.
Sur la nature du photon ("Comptes Rendus" - "C.R ." 198, 1934, p. 135)
L'equation d'ondes du photon ("C.R." 199, 1934, p. 445)
Sur le spin du photon ("C.R." 199, 1934, p. 813)
Sur l'expression de la densite dans la nouvelle theorie des photons, ("C.R. 199, 1934, p. 1165)