Vad är fotoner av?

Fotoner är inte gjorda av någonting.

Allvarligt.

Detsamma gäller för alla grundläggande partiklar. Som det visar sig är det bäst att lära sig att bara vara okej med att vissa saker inte är gjorda av någonting; vi kallar dessa saker "grundläggande partiklar".

Varför är detta? Tja ... när du frågar "vad är ett X gjort av", vilken typ av svar kan det ha? Om du funderar på det lite ser du att svaret måste falla i en av tre kategorier:

  1. X är komposit; den är gjord av andra saker, dvs komponenter
  2. X är odelbar / kontinuerlig; den är bara gjord av "X-grejer", någon form av helt enhetlig ren substans
  3. X är inte gjord av någonting.

Val (1) är lätt att förstå. Till exempel kan du säga att en bil är gjord av en motor, ett drivaggregat, chassi, kaross, huvprydnad, bildekaler och fuzzy tärningar. Okej? Lätt.

Problemet är att om det är det enda svaret som du tycker är tillfredsställande, kommer du att stöta på problem när du börjar fråga "hur långt ner går det?" På någon nivå måste du sluta med saker som inte är det gjorda av mindre komponenter, dvs på någon nivå måste svaret vara i kategori (2) eller (3)! Annars har du det här problemet med "oändlig regression" (Det är sköldpaddor hela vägen ner ), vilket verkligen inte är något mindre oroande än tanken på en sak som inte är "gjord av" någonting. Så att insistera på att svaret är av kategori (1) oavsett nivå, i slutändan är inte särskilt tillfredsställande.

Så, rättvist nog ... någon gång kan du inte "zooma in" längre och du kommer till saker som är inte gjorda av andra saker. Låt oss bara kalla det "grundläggande" nivå. Så är fotoner verkligen "grundläggande" i den meningen? Ja, det verkar de vara. Det finns två klasser av grundläggande partiklar:

  • "bosonerna", som inkluderar fotoner;
  • "fermionerna", som inkluderar ...
    • kvarkar, som är komponenterna i protoner och neutroner
    • leptoner, inklusive elektroner

Anledningen till att vi tycker att dessa partiklar är grundläggande är att det bara inte finns något förslag på att det borde vara annorlunda, dvs inga experimentella observationer som kräver "mer grundläggande" partiklar för deras förklaring, inget i vår nuvarande modell som förutsäger deras existens osv. Ändå, kunde de faktiskt göras av några mer grundläggande föremål? Ja, det kunde de verkligen! Men eftersom det inte finns någon tvingande anledning att förvänta sig att de gör det, och vid denna tidpunkt ingen aning om hur de "mer grundläggande" partiklarna skulle vara, eller hur man kan säga om de finns, är det typ av "varken här eller där". Så vid den här tiden har vi "zoomat in" så långt det verkar möjligt och det verkar rimligt att säga att det förmodligen inte finns någon lägre nivå av komposit för partiklar. (Och om det fanns ... antar att kvarkar gjordes av "preons" eller vad som helst, skulle du fortfarande ha samma fråga att ställa, bara tryckt ner en annan nivå).

Vid grundläggande nivå, vilken är det då? Är saker (grundläggande partiklar) "gjorda av saker" eller "inte gjorda av någonting"?

De gamla trodde att saker mycket väl kan vara gjorda av rena, odifferentierade "grejer". (För att ta ett exempel ansågs de "klassiska elementen" i luft / eld / vatten / jord av Aristoteles vara "kontinuerliga". Samtida med Aristoteles var den rivaliserande spekulationen om "atomism", så en förvetenskaplig version av vad vi nu betraktas som sanningen om makroskopisk materia också existerade från ganska länge sedan!). Vi har dock undersökt saker ner till nivån av de minsta partiklarna och upptäckt att det på alla nivåer över det inte finns något som är gjord av kontinuerlig odifferentierad "rena saker" - "kategori (2)" - snarare allt över denna grundläggande nivå är gjord av mindre saker, dvs "kategori (1)". Så, när vi funderar över det här, skulle de enda sakerna som vi kunde underhålla föreställningen om en "kategori (2)" typ av existens faktiskt vara de grundläggande partiklarna; det finns inget "prejudikat" för det så att säga i någon större skala.

Och problemet är att på skalan av de mycket små, det är där vi hittar dessa grundläggande partiklar som fotoner, etc., beter de sig inte längre på ett sätt som liknar hur vi tänker på att "föremål" beter sig, till punkten att det inte ens är klart att det är meningsfullt att prata om att de är "gjorda av" någonting.

Så när det gäller foton, till exempel ... om du vill kan du tänka på det som att det bara är en liten fläck "fotonium" (ett ord som jag gjorde upp just nu). Ingen hindrar dig! :-). Detta skulle vara ett "kategori (2)" sätt att tänka på fotoner. Vad skulle detta "fotonium" vara? Det skulle bara definieras som "de saker som fotoner tillverkas av". Vad sägs om det?

Tja, inte riktigt ... :-(. Problemet med denna uppfattning är att det berömmer sig själv enbart på grundval av att vara (möjligen!) mer intuitivt tillfredsställande än "kategori (3)", vilket är det enda kvarvarande alternativet - att vara "gjord av ingenting". Och på nackdelen skulle tänka på fotoner som gjorda av "fotonium" verkligen väcka fler frågor än det svarar på och skapa fler problem än det skulle lösa.

Till exempel:

  • "fotonium" måste fortfarande följa regeln att en foton aldrig delar sig i två mindre bitar av "fotonium";
  • ... och på samma sätt kan du inte klämma ihop två fotoner för att skapa en superstor foton med dubbelt så mycket "fotonium"
  • Fotoner har fortfarande noll massa, så "fotonium" måste vara ett masslöst ämne av något slag ...
  • osv ..

Det är inte heller klart att du meningsfullt kan tilldela ett mått på "storlek" till en foton! Det finns flera sätt att prata om hur stor en foton kan vara, men de är sannolik till sin natur, dvs relaterade till sannolikheten för att en foton interagerar med en annan partikel. Och det i sin tur beror på den andra partikeln! (Speciellt om den andra partikeln är elektrisk laddning). Ett mått på fotonens storlek skulle vara dess våglängd, vilket korrelerar väl med dess sannolikhet att interagera med något annat. Så i det måttet skulle en foton på 500 nm grönt ljus ha en tvärsnitts "storlek" på 1/2000: e av en millimeter, men en foton på 1 MHz radiovåg skulle ha en storlek på cirka 1000 fot!

Och som andra grundläggande partiklar har en foton bara bestämd position och bestämd fart i den utsträckning du mäter dessa saker, och ju mer definitivt du mäter någon av dem, desto mindre definitivt kan du mäta den andra.

Det blir bara värre (dvs. mer konstigt) härifrån, men du får idén ... 🙂

Min poäng är att grundläggande partiklar beter sig på ett sätt som strider mot varje intuition du har om vad ett "objekt" ska vara och göra! Så att lägga till dem tanken på att vara "gjord av något" löser inga problem och bara lerar vattnet ännu mer.

Nu då ... vid den här punkten kanske du säger "Okej, rättvist ... fotoner och andra grundläggande partiklar är inte gjorda av något annat. Inte vad jag förväntade mig och det kan ta lite att vänja sig, men jag antar att det är så det är. " Å andra sidan kan du vara antingen (a) mycket missnöjd med denna förklaring, eller (b) känna att ditt sinne blåses i någon form av mystisk New Age-y kosmisk epifani som "whoa, allt är ingenting, och existens existerar inte! " Båda dessa ytterligheter beror på otäck tänkande. Här är vad jag menar ... man kan svara med, "Du säger att fotoner (etc.) inte är gjorda av någonting, så därför finns de inte riktigt! " Inte alls. Naturligtvis finns de, genom att de interagerar med andra saker. Vi har just konstaterat att "befintlig" på grundnivå inte har något att göra med "att vara gjord av saker", det är allt. Ett andra felaktigt svar är, "Du säger i princip att allt är gjort av ingenting!"Tja, det är inte heller. Planeter, människor, blåhvalar och suddiga larver är gjord av saker, vilket är gjord av molekyler, vilka är gjord av atomer. En atom är gjord av (a) en kärna, som är gjord av kvarkar (inte gjord av någonting) och gluoner (inte gjord av någonting), och (b) elektroner (inte gjord av någonting). Det finns många nivåer av "made-of-ness" mellan de stora föremålen och de grundläggande partiklarna! Alla dessa "nivåer" av fysisk verklighet är extremt rika med verkliga principer / relationer / interaktioner / egenskaper. Vi kallar dessa "framväxande egenskaper" för att skilja dem från verklighetens "grundläggande egenskaper". Så till exempel handlar kemi om de framväxande egenskaperna som ger upphov till "saker" ur atomer och som styr samspelet mellan olika typer av saker. Termodynamik och statistisk mekanik handlar om framväxande egenskaper hos stora samlingar av enskilda partiklar. Biologi handlar om framväxande egenskaper hos levande system. Och så vidare. Många tror på det medvetande måste vara ett framväxande fenomen av fysisk verklighet. (Ingen säger att du måste tro det. Det gör jag faktiskt inte. Men många människor gör det!)

Hur som helst, med avseende på de två misstag som diskuterats ovan: vissa människor lyckas kombinera båda dessa felaktigheter och når fram till den här uber-felaktigheten i ett slag: "Grundläggande partiklar är inte gjorda av någonting ... därför existerar ingenting verkligen!"Jag hoppas att du redan kan se varför det är ett löjligt uttalande. Naturligtvis finns det saker! (Se, du hade rätt hela tiden! 🙂 Människor du älskar finns ... människor du inte älskar så mycket, de finns också ... och kaffe finns, och öl, och håriga hundar och musik! Alla typer av riktigt fantastiska saker finns! Så var inte rädd för idén att grundläggande partiklar inte är gjorda av någonting.

Så länge vi diskuterar felaktigheten i reduktionism ... har du märkt att det finns människor som är ganska orubbliga av tanken att "allt vi är är inget annat än en massa atomer", och verkar avstå från detta uppfattning med knappt en axelryckning, eller kanske till och med en känsla av lättnad. Om du frågar mig är det här märket för en klodrig, filistinsk typ av sinne. Du är mycket mer än "bara" vad som helst (atomer, eller grundläggande partiklar som inte är gjorda av någonting osv.) Du har ett sinne och en vilja och känslor, och du kan överväga och uppskatta saker och räkna ut saker och skapa cool saker och undrar på saker som vad fotoner är gjorda av!

Okej, nog med filosofin ... låt mig avsluta mitt svar med ett kort omnämnande av verklighetsnivån som är mer grundläggande än de grundläggande partiklarna. "Vad? Hur kan det vara?" De grundläggande partiklarna är den mest grundläggande typen av stuff i universum, men det visar sig att de inte är de mest grundläggande förklaring av saker, eftersom de grundläggande partiklarna själva förklaras i termer av något annat - nämligen kvantfält. Kort sagt är tanken att det som existerar på den mest grundläggande nivån är vissa fält som fyller hela rymden och innehåller energi. Varhelst energin på ett visst ställe i ett fält överstiger den så kallade nollpunkts- eller vakuumenergin, kallas det en "excitation" av fältet, och den manifesteras som en avgränsad partikel. De grundläggande partiklarna, som inte är gjorda av någonting, är fenomen i fälten (som inte heller är gjorda av någon materiell "grejer"). Så en foton är en excitation av fotonfältet, en elektron är en excitation av elektron-positronfältet etc.

Tja, det var lite långt, men förhoppningsvis användbart, eller åtminstone roligt :-).

Lämna en kommentar