Fotony

-------------------------------------------------------------------------------------------

Tento článek byl zpracován na základě studie s názvem : Podstata hmoty, která je uveřejněna na odkazu: http://sweb.cz/mchlk/hmota.htm

Proto jsou v tomto článku ponechány odkazy na literaturu (hranaté závorky) i číselné označení vzorců stejné jako ve studií.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Moderní fyzika pokládá světlo za souhrn nesmírného počtu fotonů, jejichž klidová hmota je nulová a každý z nich má energií rovnou kvantu hµ a šíří se prostorem rychlostí světla / h - Plankova konstanta, µ - kmitočet/.

U fotonů je zajímavá právě konstantní rychlost světla, což znamená nezávislost této rychlosti nejen na směru šíření, ale i na pohybu či klidu zdroje světla.

Princip konstantní rychlosti světla formuloval Einstein na základě proslulého Michelsonova pokusu provedeného v roce 1881. Tento pokus měl potvrdit Fresnelovu teorií, která pokládá světlo za příčné vlnění velmi řídkého prostředí zvaného světelný ether. Michelson svým pokusem, zjistil rychlost světla ve směru a proti směru pohybu Země kolem Slunce. Očekával, že světlo, které se šíří v klidném etheru stálou rychlostí c, bude mít vzhledem k Zemi ve směru a proti směru jejího pohybu různě velké rychlosti.

Avšak pokus nepotvrdil předpoklady, neboť Michelson i další fyzikové, kteří pokus opakovali ještě s větší přesností zjistili, že se světlo šíří stejnou rychlostí ve směru i proti směru pohybu Země.

Avšak Einstein nijak nevysvětlil výsledek Michelsonova pokusu. Vzal pouze jeho výsledek za základ a na tomto základě formuloval v r. 1905 svou speciální teorií relativity.

Je však velmi důležité vysvětlit příčinu výsledku Michelsonova pokusu. Jak je vůbec možné, že se světlo šíří stejnou rychlostí všemi směry, ať se zdroj světla pohybuje nebo ne ?

 

Vysvětlení konstantní rychlosti světla.

 

Abychom si tuto okolnost vysvětlili, vezměme si jeden foton a zkoumejme jeho chování. Předpokládejme, že tento foton se pohybuje rychlostí světla. Nyní mu udělme další rychlost ve shodném směru. Avšak foton nemůže překročit rychlost světla, takže vlastně nově dodaná rychlost se “nějakým” způsobem “ztratí”. Toto však není možné, proto je nutno tento jev vysvětlit tak, že původní lineární dráha fotonu se zvlní. Následkem toho se zvětší délka dráhy. Tím i rychlost částice, která se pohybuje po zvlněné dráze, musí být větší, aby se pohybovala - měřeno v přímce - rychlostí světla (lineární rychlost).

 

 

 

 

 

 

 

 

Schématicky vyjádřeno: /viz dále schéma 1 až 4/

 

Schéma 1:

a / Lineární dráha fotonu bez udělení rychlosti – nulový kmitočet.

 

 

 

Schéma 2:

b / Zvlněná dráha fotonu při udělené rychlosti odpovídající kmitočtu 1 Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma 3:

c / Zvlněná dráha fotonu při udělené rychlosti odpovídající kmitočtu 2 Hz.

 

 

 

 

Schéma 4:

Zvlněná dráha fotonu při udělené rychlosti odpovídající kmitočtu 3 Hz.

Ze schémat je patrné, že je možno tímto způsobem zvyšovat rychlost fotonu - vlnovou rychlost - nebo nazvěme ji prostorovou rychlostí fotonu, aniž by lineární rychlost (měřená v přímce) přestoupila rychlost světla.

Čím větší rychlost udělíme fotonu s nulovým kmitočtem /pohybujícímu se lineární rychlostí světla/, tím bude větší jeho prostorová rychlost, čili tím větší bude frekvence vlnění, tím kratší bude jeho vlnová délka. Viz schéma 1/, 2/, 3/, 4/.

Přijmeme-li toto vysvětlení, je nám jasné, kam se přidávaná rychlost “ztrácí”. V podstatě se touto přídavnou rychlostí vytváří kmitočet nebo frekvence vlnění fotonů. V případě Michelsonova pokusu byla sice naměřena stejná rychlost šíření světla jak ve směru pohybu Země kolem Slunce, tak i proti tomuto pohybu, avšak při měření kmitočtu (barvy) tohoto světla by byly zaznamenány odlišné hodnoty. Kmitočet světla ve směru pohybu by byl vyšší (barva světla by se posunula k modré), proti směru pohybu by byl nižší (barva světla by se posunula k červené). Změna kmitočtu světla by však byla závislá na zdroji světla. Čím vyšší frekvenci světla by zdroj vysílal, tím by rozdíl frekvence byl větší, při nižší frekvenci by rozdíl byl nižší.

Doporučuji prověřit platnost tohoto vysvětlení experimentem navrženým v článku :

Návrh experimentu - zveřejněném na adrese: http://sweb.cz/mchlk/experiment.htm

Vysvětlení konstantní. rychlosti světla však předpokládá, že fotony neurychlené /s nulovým kmitočtem/ existují a pohybují se lineární rychlostí světla (po přímce).

 

Minimální “těžká” hmota fotonu

Podle dnešních názorů, např. vyjádřených v I 2 I se předpokládá, že klidová hmota fotonu mo = 0. Vychází. se ze vztahu / 5 /

/ 5 / m = m o / √ (l – β )

kde m = hmota za pohybu,

m o = klidová hmota

β = v / c

v = přídavná rychlost

c = rychlost světla ve vakuu = 2,997 924 580 . 108 m . s-1 I 6 I.

Pro výpočty zaokrouhlována na 3 . 10 8 m . s-1.

 

Vztah / 5 / je odvozen z teorie relativity. Podle něho hmota m částice vzrůstá s rychlostí jakou se částice pohybuje a nemůže překročit rychlost světla. Při rychlosti v větší, než c by byl výraz pod odmocninou záporný a hmota by byla imaginární. Rychlost částice nemůže být ani stejná s rychlostí světla, neboť hmota částice m by se stala nekonečně velkou. Aby částice měla konečnou hmotu při pohybu přesně rovném rychlosti světla, musí být její klidová hmota mo přesně rovna nule. V takovém případě pak na pravé straně rovnice / 5 / dostaneme výraz 0/0, což je výraz neurčitý, to značí, že může to být veličina konečná. Poněvadž fotony se pohybují přesně rychlostí světla, musí být klidová hmota těchto částic přesně rovna nule.

Dosavadní poznatky můžeme formulovat tak, že fotony pohybující se rychlostí světla, pokud mají nulový kmitočet /pohybují se lineární rychlostí/, mají hmotu rovnou nule. Teprve jejich urychlováním, což se děje sdílením energie, se další rychlost “ukládá” do prostorové rychlosti, čímž se dráha fotonů zvlní a to se projeví vznikem kmitočtu. Každý foton, který má jakýkoliv kmitočet, má již i těžkou (a setrvačnou) hmotu. Čím je kmitočet fotonu vyšší, tím je i foton hmotnější. Tento poznatek byl potvrzen pozorováním ohybu světla v gravitačním poli Slunce I 3 I.

Sdílení energie fotonům se neuskutečňuje spojitě, ale po jistých dávkách - kvantech I 4 I. Z experimentů vyplynul závěr, že toto kvantum energie elektromagnetického záření je tím vyšší, čím je vyšší kmitočet vlny, to je čím je kratší vlnová délka. Bylo zjištěno, že podíl tohoto skoku /kvanta/ energie a kmitočtu vlny je univerzální konstantou - Plankovou konstantou. Energie elektromagnetického záření se tedy mění po kvantech s energií:

/ 7 / E = h . μ

kde h = Plankova konstanta / 6,626 . 10-34 J . s/

μ = kmitočet vlny

Vyjděme nyní ze vztahů / 7 / a / 6 / a srovnejme je:

/ 9 / h . μ = m . c2

Toto učinil v r. 1923 Louis de Broglie, který I 5 I vyslovil poznatek, že připisuje-li kvantová teorie světlu vlastnosti hmoty, jeví se jako přirozené připsat hmotě vlastnosti světla. Nyní položme v rovnici / 9 / μ = l, pak dostaneme po vyjádření hmoty:

/ 10 / m = h / c˛

Vztah / 10 / vyjadřuje vlastně nejmenší možnou existující “těžkou” hmotu. Menší těžká hmota už nemůže existovat, protože při kmitočtu μ = 0 je těžká hmota nulová a kmitočet musí mít celá čísla, protože změna energie se děje po skocích /kvantech/ a ne po zlomcích kvant. Po vyčíslení vztahu / 10 / dostaneme:

m = h / c˛ = 6,626 . 10-34 / 9 . 1016 = 7,35 . 10-51 kg

Takže nejmenší možná “těžká” hmota fotonu / při kmitočtu μ = l / je 7,35 . 10-51 kg. Tento výsledek zhruba souhlasí i s experimentálním, měřením I 7 I magnetických polí v okolí Jupitera, kde byla určena horní mez klidové hmotnosti fotonu na pouhých 8 . 10-52 kg.

 

Pojem rychlostní hmoty

Při výpočtu minimální hmoty fotonu jsme dospěli k hodnotě 7,35 . 10-51 kg a to pro foton, který má nejmenší možnou frekvenci μ = 1 Hz. Ale foton jako takový existuje i při nulové frekvenci. Tehdy se pohybuje pouze lineární rychlostí, přičemž jeho “těžká” hmota je nulová. Fotony v takovémto stavu hmotu v našem slova smyslu nemají, což značí, že nejsou vůbec těžké a tudíž nemají žádnou setrvačnost. V tom případě, budeme-li se držet definice hmoty dle I 15 I, kde se uvádí, že hmota je obecná vlastnost fyzikálního objektu, určující jeho setrvačnost a gravitační působení, pak je foton při nulové frekvenci nehmotný. Avšak vytvořme si obecnější definici hmoty v tom smyslu, že hmota je mírou pohybu fyzikálního objektu a říkejme této formě hmoty - rychlostní hmota.

Podle výše uvedené definice je tedy i foton s nulovou frekvencí rychlostně-hmotný, neboť má rychlost závislou na jeho teplotě.

Ukazuje se tedy, že pojem “rychlostní” hmoty je širší a zahrnuje v sobě i hmotu “těžkou a setrvačnou”. Hmota “těžká” se vytváří z hmoty “rychlostní” tehdy, když částice /foton/ se začne pohybovat prostorovou rychlostí, jež se projevuje vznikem frekvence.

Vztah mezi “těžkou” a “rychlostní” hmotou.

Foton s nulovou frekvencí se pohybuje lineární rychlostí maximálně 2,9979 . 108 m/s. Foton s frekvencí 1 Hz se pohybuje také přesně touto rychlostí (pokud ji budeme měřit v přímce), ale má již i prostorovou rychlost. V kapitole o prostorové rychlosti částic (viz původní studii: “Podstata hmoty” - odkaz http://sweb.cz/mchlk/hmota.htm bylo vypočteno, že foton při frekvenci 1 Hz se pohybuje prostorovou rychlostí 4,25 . 108 m/s, přičemž jeho “těžká” hmota činí 7,35 . 10-51 kg. Takže prostorová rychlost 4,25 . 108 m/s odpovídá hmotě 7, 35 . 10-51 kg.

Ukazuje se však, že velikost prostorové rychlosti není přímo úměrná těžké hmotě. Z tabulky č.l v příloze (ve studii) je patrné, že prostorová rychlost fotonu při frekvenci μ = 1 Hz dosahuje hodnoty 4,25 . 108 m/s, přičemž se “vytvoří” těžká hmota v hodnotě 7,35 . 10-51 kg. Při maximální frekvenci fotonu μ = 1024 Hz dosahuje prostorová rychlost fotonu 4,25 . 1020 m/s a tato se projeví jako těžká hmota s hodnotou 7,35 . 10-27 kg. Výpočet byl proveden dle vztahu / 9 /.

Když porovnáme účinnost prostorové rychlosti při minimální a maximální frekvenci, pak vidíme, že při minimální frekvenci / μ = l Hz / je třeba pro vytvoření 7,35 . 10-51 kg těžké hmoty prostorová rychlost 4,25 . 108 m/s, kdežto při maximální frekvenci / μ = 1024 Hz / vytváří stejně velkou těžkou hmotu prostorová rychlost jen

4,25 . 1020 / 1 . 1024 = 4,25 . 10-4 m/s

Tyto výsledky jsou v plném souladu s principem Einsteinovy obecné teorie relativity o ekvivalenci těžké a setrvačné hmoty, neboť při velkých frekvencích se dráha fotonu častěji a rychleji mění než při malé frekvenci a tudíž má setrvačnost (i hmotnost) vyšší hodnotu.

 

Vztah mezi rychlostí, hmotou a teplotou fotonu

Kinetická teorie plynů byla zpracována pro dokonalý (ideální) plyn. Z této teorie vyplývá, že nejpravděpodobnější rychlost částice v je možno vypočítat, podle vztahu:

/18 / v = √ (2 . k . T / m )

kde:

v - nejpravděpodobnější rychlost

k - Boltzmanova konstanta = 1,38 . 10-23 Joule . K-1

m - hmotnost částice v kg

T - absolutní teplota vyjádřená v K

Protože fotony lépe splňují představu ideálního plynu, než reálné plyny (na nichž byla tato rovnice ověřena), lze výše uvedený vztah / 18 / použít i pro fotony.

Můžeme např. vyjádřit, jaká je teplota fotonů majících nejnižší frekvenci (μ = 1, m = 7,35 . 10-51 kg ).

Ze vztahu / 18 / vyjádříme teplotu T:

T = v2 . m / 2 . k

Po dosazení dostaneme:

T = 2,4 . 10-11 K

Ukazuje se tedy, že nejméně hmotné fotony (světlo) mají teplotu 2,4 . l0-11 K.

Už dříve bylo řečeno, že fotony, pokud se pohybují větší rychlostí, než je rychlost světla, ukládají si tuto rychlost do prostorové (vlnové) rychlosti, která se projevuje přírůstkem hmoty těžké /setrvačné/.

Podobně můžeme vypočíst teplotu světla (fotonů), které dosahuje maximální frekvence (μ = 1024 , m = 7,35 . 10-27 kg). Dojdeme k výsledku teploty 2,4 . 1013 K, což odpovídá řádově desítkám bilionů K. Takovéto teploty by se měly vyskytovat při termonukleárních reakcích.

Závěr

Fotony s nulovou frekvencí vznikají z tachyonů (jednorozměrné částice ideálního plynu) mutací (přeměnou méněrozměrné částice na vícerozměrnou a naopak). Protože jsou pouze dvourozměrné, jejich hmota je nulová, neboť podle obecné teorie relativity neexistuje gravitační působení u těles, která mají jeden nebo dva rozměry. Gravitace může působit teprve u těles trojrozměrných I 23 I. Bezprostředně po mutaci mají fotony jen základní rychlost 128,9 m/s (extrémně nízká teplota). Zvyšováním jejich teploty vzrůstá jejich rychlost až do konstantní rychlosti světla. Tato rychlost je však pouze lineární a fotony nemají žádný kmitočet (frekvenci). Foton, jehož frekvence je nulová /μ = 0/, se může pohybovat maximálně světelnou (konstantní) rychlostí. Pokud je dále urychlován, jeho rychlost zůstává stejná, ale další rychlost se “ukládá” do prostorové rychlosti a foton rychlostně - hmotný přechází na foton tíhově - hmotný (v souladu s principem Einsteinovy obecné teorie relativity o ekvivalenci těžké a setrvačné hmoty). Čím větší rychlost je mu udělena, tím získává vyšší frekvenci (kmitočet) a tedy i vyšší gravitační hmotu.

Minimální těžká hmota fotonu je (při frekvenci μ = 1) 7,35 . 10-51 kg a při této frekvenci má foton teplotu 2,4 · 10-11 K.

Při maximální frekvenci fotonu μ = 1024 Hz (teplota 2,4.1013 K) dosahuje prostorová rychlost fotonu 4,25 . 1020 m/s a tato se projeví jako těžká hmota s hodnotou 7,35 . 10-27 kg. Výpočet byl proveden dle vztahu / 9 /.

Výše uvedené představy plně souhlasí s experimenty - se vzrůstající rychlostí částic vzrůstá i jejich hmotnost.

 

 

 

 

 

 

Z tohoto pohledu bude nutné přehodnotit některé kosmologické představy:

Podle současných představ se vesmír rozpíná na svém horizontu rychlostí světla (3.108 m/s), neboť takto lze vysvětlit rudý posuv spektra z nejvzdálenějších částí vesmíru. Podle autorových představ by však rudý posuv nemusel být způsobován jen vzdalováním objektů, ale hlavně nízkými teplotami v nejvzdálenějších částech vesmíru, jinak řečeno - snižování frekvence fotonů (rudý posuv) by mohlo být způsobeno převážně extrémně nízkou teplotou.

K ověření této domněnky navrhuji provést experiment zaměřený na chování frekvence světla (nejlépe monochromatického) při velmi nízkých teplotách.

Podle autorovy teorie by se hranice vesmíru měla rozpínat pouze základní rychlostí 128,9 m/s.

Dalším důsledkem autorových představ o fotonech by byla možnost doplnění chybějící (skryté) hmoty ve vesmíru právě všemi fotony existujícími ve vesmíru (s celou škálou frekvencí μ = 1 až μ = 1024 Hz), neboť právě frekvence uděluje fotonům hmotnost.

 

 Ing. Ladislav Michálek Kraskov, březen 2004

E-mail: michalek.l@worldonline.cz