https://amsterdam.ninkilim.com/articles/light_energy_information_life/he.html
מעט מושגים נשאו משקל סמלי כה רב לאורך ההיסטוריה האנושית כמו האור. הרבה לפני שהצלחנו למדוד את אורך הגל שלו או לחשב את האנרגיה שלו, אנשים חשו שהאור הוא יותר מתופעה פיזיקלית – הוא היה מטאפורה לחיים עצמם.
בתנ”ך העברי, הבריאה מתחילה במילים: “יהי אור.” בקוראן, אלוהים מתואר כ“אור השמיים והארץ.” בבודהיזם, הארה היא מצב של התעוררות לאמת. על פני מסורות, האור הוא ביטוי לאלוהות, טוהר וחוכמה. החושך, לעומת זאת, הוא בורות, רוע או כאוס.
השפות שלנו משמרות את המטאפורות הללו. אנו “שופכים אור” על בעיה, “רואים את האור” כשאנו מבינים, וקוראים למישהו “מבריק” כשהוא מעורר השראה. הידע הוא האור שמפזר את צללי הבורות.
הרבה לפני הדתות העכשוויות, תרבויות ברחבי העולם ציינו את היפוך החורף – היום הקצר ביותר, שבו החושך מגיע לשיאו והאור מתחיל לשוב. עבור חברות קדומות, שהיו תלויות בשמש לחום ולקציר, ההיפוך היה נקודת מפנה של הישרדות ותקווה. מדורות, משתאות וטקסים חגגו את לידתו מחדש של האור. המסורת נארגה מאוחר יותר בנצרות כחג המולד, אך הסמליות העמוקה יותר נותרה: התחדשות החיים דרך שובו של השמש. גם היום, חגיגות ההיפוך מזכירות לנו את מקומו המרכזי של האור בתרבות האנושית.
לכן, האור תמיד היה עבורנו יותר מפוטונים: הוא אנרגיה, מידע וחיים – הן במובן החומרי והן במובן הרוחני.
לאחר שחיינו עם המטאפורות שלו במשך אלפי שנים, פנתה האנושות למדע כדי לשאול: ממה באמת עשוי האור?
פוטון ניתן להגדרה כאנטנה מיקרוסקופית או מעגל תהודה המורכב מאינדוקטנס וקיבול – אלא ללא חלקים פיזיים. הוא קיים ומתפשט על ידי המרה מתמדת של אנרגיה חשמלית לאנרגיה מגנטית וחזרה, תנודה עצמאית המאפשרת לאור לנוע בחלל.
עם זאת, פוטונים אינם מוגבלים לרצועה הצרה של הצבעים הנראים לעינינו. הם משתרעים על פני טווח עצום, מגלי רדיו ארוכים יותר מגורדי שחקים ועד לקרני גמא קטנות מגרעין אטומי. לאורך הספקטרום הזה, הם מעצבים את היקום, מקיימים חיים ומניעים את הציוויליזציה האנושית.
ניתן לתאר כל פוטון בשלוש דרכים קשורות זו בזו:
אלה קשורים זה לזה על ידי מהירות האור: c = λν. אורכי גל ארוכים יותר פירושם תדירות נמוכה יותר ואנרגיה נמוכה יותר, בעוד שאורכי גל קצרים יותר מביאים לתדירות גבוהה יותר ואנרגיה גבוהה יותר. הטווח מדהים:
ספקטרום זה מראה כיצד אותו קוונטום – הפוטון – מבטא את עצמו באופן שונה בקני מידה שונים.
תהליכים פיזיקליים שונים מובילים לאזורים שונים של הספקטרום:
בדרך זו, פוטונים נובעים מאנטנות, אטומים וגרעינים כאחד, תופרים יחד את היקום הפיזיקלי.
מכיוון שאנרגיית הפוטון פרופורציונלית לתדירות (E = hν), לפוטונים בתדירות רדיו יש אנרגיה מועטה ביותר – פחות בטריליונים בהשוואה לפוטונים של אור נראה או קרני גמא. כתוצאה מכך, אנטנות אינן פולטות פוטון אחד בכל פעם בדרך שניתן לזהות בקלות. במקום זאת, הן משחררות מספרים עצומים של פוטונים בו זמנית.
אנטנת שידור אחת עשויה לפלוט בסדר גודל של 10²⁰ עד 10²⁵ פוטוני רדיו בשנייה. עבור כל מקלט – או עבור האינטואיציה שלנו – זה נראה כמו גל חלק ורציף. הקוונטיזציה עדיין קיימת, אך היא מוסתרת מתחת לשפע עצום.
לעומת זאת, פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה כמו אולטרה סגול, קרני רנטגן וקרני גמא נושאים מספיק אנרגיה בנפרד כדי להיזהות אחד-אחד. טבעם הדומה לחלקיקים ברור, וזו הסיבה שההסבר של איינשטיין על האפקט הפוטואלקטרי התמקד באור אולטרה סגול, ולא ברדיו.
הבדל זה בתפיסה הוא אחת הסיבות לכך שהוויכוח בין גל לחלקיק נמשך זמן רב כל כך.
ההבנה שלנו לגבי פוטונים התפתחה במשך מאות שנים של דיונים וגילויים.
פיינמן לא גילה את הפוטונים, אך הוא נתן לנו את ההבנה המלאה והמדויקת ביותר שלהם, ואיחד מאות שנים של תיאוריות סותרות במסגרת אחת קוהרנטית.
מלבד תדירות, לפוטונים יש תכונה נוספת: קיטוב.
מכיוון שהשדה החשמלי של פוטון חייב תמיד לנדנד בניצב לכיוון התקדמותו, הוא יכול להתמצא בכל זווית בתוך המישור הרוחבי הזה. דמיינו פוטון הנע קדימה: השדה שלו עשוי להתנדנד אנכית, אופקית או בכל מקום ביניהם. זהו קיטוב.
אחת התוצאות המוכרות ביותר של קיטוב היא סנוור. כאשר אור מוחזר ממשטח שטוח ואופקי כמו מים, זכוכית או מדרכה רטובה, הפוטונים המוחזרים אינם מכוונים באופן אקראי. הפיזיקה של ההחזרה מעדיפה אור מקוטב אופקית, מכיוון שהאלקטרונים במשטח משדרים מחדש את רכיב השדה החשמלי ששוכן לאורך המישור בצורה יעילה יותר.
זו הסיבה שמשקפי שמש מקוטבים עובדים כל כך טוב: הם מכילים מקטב אנכי, שחוסם פוטונים מקוטבים אופקית תוך שהוא מאפשר למקוטבים אנכית לעבור. כתוצאה מכך, הסנוור מכבישים, אגמים ושמשות קדמיות מופחת מאוד.
בימים הראשונים של המכוניות, מהנדסים אפילו חקרו רעיון גרנדיוזי יותר: מה אם ניתן לשלב קיטוב במכוניות עצמן? ההצעה הייתה להפוך את כל הפנסים הקדמיים למקוטבים אנכית, תוך ציוד כל השמשות הקדמיות במקטבים אופקיים. התוצאה הייתה שפנסים של מכוניות מתקרבות יסוננו באופן אוטומטי, ויגנו על הנהגים מפני סנוור. הרעיון היה חכם ואלגנטי, אך יקר מדי לייצור המוני באותה תקופה. הרעיון נזנח – והשאיר את משקפי השמש כפתרון המעשי יותר לאותה בעיה.
קיטוב יכול להיות גם יותר אקזוטי. אם לשדה החשמלי של הפוטון יש רכיבים אנכיים ואופקיים, ורכיבים אלה מתנדנדים מחוץ לפאזה ברבע מחזור, התוצאה היא קיטוב מעגלי. השדה כבר לא מתנדנד קדימה ואחורה לאורך קו יחיד, אלא מתאר ספירלה, מסתובב סביב ציר התנועה – ריקוד צדדי מתמשך במקום תנודה פשוטה.
האנלוגיה לאנטנת דיפול עדיין תקפה: בדיוק כפי שלדיפול יש נקודות עיוורות לאורך צירו, פוטונים לעולם לא מכוונים את השדה החשמלי שלהם לאורך מסלולם. הם נשארים רוחביים, תמיד מסתובבים סביב כיוון תנועתם.
ברמה הקוונטית, פוטונים נפלטים בקפיצות פתאומיות.
מצבים מעוררים עשויים להימשך ננו-שניות או שעות, תלוי במערכת, אך כאשר מתרחשת פליטה, היא מיידית – קפיצה קוונטית אמיתית, ללא מצב ביניים וללא פוטון חלקי.
זהו המנגנון האוניברסלי שבו נולדים פוטונים.
אחד ההישגים הגדולים ביותר של האנושות בניצול פוטונים הוא הלייזר.
לייזר מתחיל במאגר של אטומים המוחזקים במצבים מעוררים. היפוך אוכלוסין זה נוצר על ידי הזרמת אנרגיה למדיום – באמצעות פריקה חשמלית, לייזר אחר או תגובה כימית.
האטומים המעוררים לכודים בין שתי מראות: אחת מחזירה לחלוטין והשנייה שקופה חלקית. המרחק בין המראות מכוון להתאים לאורך הגל של הפוטון. רק פוטונים בתהודה שורדים השתקפויות חוזרות; השאר מבטלים זה את זה.
בהתחלה, הפליטות אקראיות. לאחר מכן, פוטון אחד נפלט באופן ספונטני לאורך ציר החלל. פוטון זה הופך לטייס, כמו ניצוץ מוביל של ברק. השדה החשמלי שלו מגדיר את הכיוון והפאזה לכל הפליטות המושרות שלאחר מכן. אטומים סמוכים משחררים פוטונים שהם עותקים מדויקים – אותה תדירות, אותה פאזה, אותו קיטוב.
ככל שהטייס מתרבה, הפוטונים קופצים קדימה ואחורה, מחזקים זה את זה. כאשר העוצמה גבוהה מספיק, זרם בורח דרך המראה השקופה חלקית.
התוצאה היא אור לייזר:
בניגוד לאור המעורב והאקראי של נורה, לייזר הוא צבא ממושמע של פוטונים שצועדים בצעד נעול.
פוטונים אינם רק סקרנות פיזיקלית – הם היסוד של היקום.
כל נשימה של חמצן, כל ארוחה, כל שיחת טלפון, כל דוא”ל תלויים בפוטונים.
פוטונים הם הקוונטים של השדה האלקטרומגנטי, המשתרעים על פני ספקטרום שמניע כוכבים, מקיים חיים ומאפשר טכנולוגיה. הם בלבלו דורות של מדענים כי התנגדו לקטגוריות של גל או חלקיק.
סיפור הפוטונים החל בחלקיקים של ניוטון וגלים של הויגנס, צמח עם המשוואות של מקסוול, הותחד עם האפקט הפוטואלקטרי של איינשטיין, ולבסוף מצא את ביטויו הברור ביותר באנלוגיית השעון של פיינמן ובמתמטיקה של QED.
מסיגנלים של צוללות ועד פרצי קרני גמא, מאנטנות לאטומים וגרעינים, ממשקפי שמש ללייזרים, הפוטונים נמצאים שם. ובזכות התובנה של פיינמן, אנו סוף סוף רואים אותם בבירור – לא רק כגלים או חלקיקים, אלא כקוונטים האוניברסליים של האור.