Foton - co to takiego?

Co to takiego ten foton? Czytamy we wszystko wiedzącej, choć czasami wielce skorumpowanej Wikipedii:

" Foton: cząstka elementarna z grupy bozonów, będąca nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych(bozon cechowania). Nie posiada ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, jego masa spoczynkowa jest zerowa (m0 = 0), a liczba spinowa s ma wartość 1. Wykazuje dualizm korpuskularno-falowy, więc równocześnie ma cechy cząstki i fali elektromagnetycznej. "

Niby wszystko wiadomo, ale czy na pewno? "Cząstka elementarna"? Co to znaczy? Co to są te "cząstki elementarne"? Dalej bowiem czytamy, że "równocześnie ma cechy cząstki i fali". Jakiej fali? Co faluje? Ma "masę spoczynkową zero". Ale co to jest ta "masa spoczynkowa"? Przecież fotony w spoczynku raczej nie bywają. I co to jest "liczba spinowa"?

I tu sa dwa aspekty. Jeden to apsekt doświadczalny. Ale doświadczalnie fotonów nie ma. Są tylko w naszej wyobraźni. Widzimy jasną plamkę na ekranie i spekulujemy: widać foton w ten ekran uderzył. Opalamy się, skóra nam nabiera przyjemnej barwy, czujemy ciepło. I spekulujemy: to fotony ze Słońca (albo z lampy).

Drugi aspekt to aspekt teoretyczny. Mamy teorię. Lub teorie (liczba mnoga). Bez teorii bylibyśmy totalnie zagubieni. Weźmy zjawiska określane jako "paranormalne". Obserwacji jest co niemiara, słabo powtarzalne, lub w ogóle niepowtarzalne, himeryczne. I postępu w tej dziedzinie właściwie nie ma. Bowiem nie mamy teorii. Albo coś bardziej akceptowalnego dla sceptyków: mamy koronę słoneczną i jej wysoką temperaturę. Ale teorii nie mamy - patrz na przykład ostatni numer "Physics World", a tam artykuł p.t. "Solar secrets: The seven decade mystery of the Sun's corona". Słońce jest dla nas wciąż zagadką. Foton jest też wciąż zagadką, choć mamy teorie. Tyle, że teorie są wciąż kwestionowane, mają dziury. Dla krytycznego umysłu te dziury są widoczne, dla bezkrytycznego: "sprawa jasna jak słońce"!

Polecam dość dawnej daty, ale wciąz aktualny artykuł p.t. "Evolution of the modern photon" w popularnym czasopiśmie "American Journal of Physics", do ściągnięcia tutaj. We wstępie czytamy:

Termin "foton" reprezentuje co najmniej cztery różne modele i niesie różne konotacje dla studentów i praktykujących fizyków.
Odzwierciedla to długą i złożoną historyczną ewolucję pojęcia i jego związek z błędnie interpretowaną zasadą dwoistości.
Niezadowalająca natura modelu korpuskularnego i modelu pakietów falowych jest dyskutowana, a także pedagogiczną celowość zastąpienia ich podejściem semiklasycznym w elementarnych prezentacjach. Przytoczone są pochodne efektu fotoelektrycznego (PE) bez fotonów i podana jest analiza wektorowa, pokazująca, że efekt PE nie może być traktowany jako zwykłe oddziaływanie fotonu i elektronu.

Więc może o tych wszedobylskich fotonach warto przynajmnieś czegoś solidnego się dowiedzieć? Na pewno. Ale bez odrobiny algebry się nie obejdzie. Dziś algebry używają nawet muzycy przy komponowaniu.  Zatem czeka nas wycieczka w krainę algebry. I przede wszystkim chcemy się dowiedzieć co to takiego ta "cząstka elementarna"? Co to takiego ta "masa spoczynkowa"? I co to takiego ten "spin"? I tu się nie obejdzie bez elementów szczególnej teorii względności, lecz na poziomie nieco bardziej abstrakcyjnym niż ten prezentowany w podręczniku Halliday, Resnick "Podstawy fizyki", tom 4, Rozdz. 38 "Teoria względności".

I temu poświęcę kilka najbliższych notek. Algebra doprowadzi nas do światła.