Много ли мы знаем о фотоне? И что нам известно о его роли как носителя света? Согласно общепринятому определению, фотон представляет собой квант электромагнитного излучения, существующий в виде поперечной электромагнитной волны [1]. В данном контексте слово «предположительно» было использовано намеренно, поскольку в этой статье мы обсудим эксперимент, который продемонстрирует, что это определение не полностью раскрывает суть фотона.

Чтобы достичь этой цели, мы сначала рассмотрим официальные научные данные и известные факты, касающиеся фотона. Затем мы предложим аргументы, которые не так широко известны в научных кругах. Наконец, мы соберём прибор, который поможет нам провести необычный эксперимент, открывающий новые горизонты в понимании физики привычного нам света.

Экспериментальное исследование природы электромагнитных волн, включая их поперечность или продольность, проводилось в рамках различных экспериментов (подробнее). Из них следует, что фотон — это квантовое проявление электромагнитного поля, а электромагнитные волны в классической физике описываются как поперечные волны. У науки имеется на сей счёт следующая аргументация:

1. Поперечность электромагнитных волн. Теория Максвелла предсказывает, что электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне ортогональны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Это характерно для поперечных волн. Эксперименты, такие как поляризация света, подтверждают поперечную природу электромагнитных волн. Поляризация означает, что электрическое поле волны колеблется в определённой плоскости, что возможно только для поперечных волн.
2. Фотон как квант электромагнитной волны. Фотон описывается как безмассовая частица с определённой энергией и импульсом. Его спин равен 1, но наблюдаются только две проекции спина на направление движения: ±1. Это интерпретируется как проявление поперечной природы фотона (наличие только двух поляризаций, связанных с электрическим и магнитным полями). Отсутствие продольной компоненты для спина фотона связано с тем, что фотон безмассов, и продольные колебания невозможны в рамках квантовой теории поля.
3. Другие опыты. Эксперименты с рассеянием света (например, рассеяние Релея) подтверждают, что свет взаимодействует с веществом как поперечная волна. Изучение поляризационных свойств света и создание инструментов, таких как поляризационные фильтры, также демонстрируют его поперечную природу.

Если внимательно разобраться с экспериментами, которые должны подтверждать поперечную природу фотонных волн, в них обнаружится одна общая особенность: весь инструментарий, с которым работали учёные, рассчитан на наблюдение и фиксирование именно поперечных волн. У продольных волн не было даже шанса как-то себя проявить :) Например, согласно обобщенной электродинамике [2] и результатам наших опытов, продольная волна должна являться источником зарядов в веществе. В указанных выше экспериментах такой заряд не фиксировался.

Такое отношение становится очевидным, если оценить значение заряда для этих экспериментов — порядка пикокулонов (для обычных материалов). Однако даже такое скромное число имеет большое значение для понимания возможной продольной природы этих волн, что открывает новые возможности для всей физики. В ходе дальнейшей работы мы научимся получать и фиксировать этот небольшой электрический заряд.

Опыты по выявлению продольной составляющей в фотонных волнах проводились и раньше, например [3-4]. Они говорят об определённой доле продольных волн в солнечных и лазерных лучах. Продольная компонента также обнаружена и в излучении приборов для КВЧ терапии [5]. Интересные исследования провели учёные ФГУП «Исток» с крещенской водой [6]. Они делают следующие выводы: в день Крещения горизонтальная компонента поля Е возрастает в 40 раз, что означает присутствие мощной продольной электромагнитной волны Н-типа, пронизывающей Землю, в то время как вихревая компонента поля Е окружает поверхность Земли и структурирует её во́ды. В привычных нам явлениях начинает проявляться общая закономерность возникновения продольных волн.

Представляемый далее прибор позволяет фиксировать разность потенциалов от 0.5 мкВ, что позволяет распознавать электрический заряд порядка \(5\cdot 10^{-14}\) Кулон, на ёмкости в 0.1 мкФ. При такой большой чувствительности прибор фиксирует также все окружающие электрические поля, а точнее — их изменение. Последнее свойство будет являться ещё одним аргументом в пользу измерения именно продольных, или как их ещё называют, скалярных волн.

Принципиальная схема прибора представлена на рисунке 1. В её основе лежат две мощных микросхемы, первая из которых U1 — это 24-х разрядный аналогово-цифровой преобразователь. Такая довольно большая разрядность и обепечивает высокую чувствительность прибору. Cочетание дифференциального входа U1 и измерительной ёмкости C2 содаёт, вообще говоря, недокументированное и нестандартное подключение, но именно такое сочетание даёт хорошие стабильные результаты измерений заряда на этой ёмкости. Резистор R2 способствует разрядке C2, и возврату всей системы в исходное состояние после любого внешнего воздействия. Транзистор VT1, и сопровождающие его резисторы R3-R4, составляют схему опорного напряжения для этой микросхемы.

Микросхема U2 представляет собой микроконтроллер, в задачу которого входит представление данных от U1 в виде цифр на LED-экране U3, получаемх по шине RA0-RA1, и полярности сигнала, выводимого на два светодиода LED1-LED2. Кроме этого, U2 может осуществлять изменение чувствительности и обнуление прибора при быстром, либо медленном нажатии на кнопку SW1. Если эту кнопку удерживать менее секунды, то точка на дисплее U3 будет перемещаться, вместе с изменением чувствительности прибора. Если же кнопка удерживается более секунды, то прибор обнуляется (эта процедура подобна обнулению электронных весов).

Ниже представлен список компонентов, необходимых для сборки прибора. Вы можете использовать детали, которые не указаны в этом списке, на своё усмотрение.

• U1 — 24-х разрядный аналогово-цифровой преобразователь HX711;
• U2 — 8-ми битный микроконтроллер PIC16F1824-I/P;
• U3 — 4-х разрядный индикатор TM1637, в виде готового LED модуля для Arduino;
• U4 — преобразователь напряжения на 5V L78L05 в корпусе TO-92;
• VT1 — p-n-p транзистор S8550 в корпусе TO-92;
• DC1 — разъём питания на 12V DC005, 2.1-2.5 мм, Jack Female;
• SW1 — Push Button Switch Micro switch 12x12;
• LED1, LED2 — светодиоды 3 мм, соответствующего цвета;
• C1, C2, C6 — SMD конденсаторы, типоразмер 1812;
• R1, R2 — SMD резисторы, типоразмер R1206.

Схема прибора спроектирована так, что при правильной сборке и корректной прошивки микроконтроллера, её настройка не требуется.

Инструкцию по прошивке pic-контроллера можно получить здесь.

Обратите внимание. На принципиальной схеме, в документации для изготовления печатной платы, указаны дополнительные конденсаторы C3 и C4. Они нужны только для дополнительных экспериментов.

Печатную плату и корпус для 3D-печати можно разработать самому. При этом очень важно, чтобы конденсаторы C1, C3, C4 располагались как можно ближе к микросхеме U1, и были доступны за пределами корпуса.

Для проведения эксперимента потребуется лазерная указка, желательно зелёного цвета, 532 нм, и мощностью до 100 мВт (например). Цвет выбран для минимизации возможного нагрева измерительного конденсатора.

Сам эксперимент очень простой. Нужно включить прибор, обнулить его если нужно, и направить луч лазера на измерительный конденсатор C2 (рис. 2). Теперь необходимо сравить показания прибора до и после засветки лазером этого конденсатора (рис. 3). После засветки, показания прибора должны вырасти в 15-20 раз.

Прибор будет реагировать и на засветку C2 от обычной светодиодной лампы, но, конечно же, показания прибора будут намного меньше, чем с лазером (рис. 4). Необходимо заметить, что в этом случае измерительный конденсатор может нагреваться на очень незначительные температуры. Если учесть возникновение параметрического эффекта и полученную таким образом разность потенциалов, то она окажется на порядки меньше, чем чувствительность прибора.

Заметим только, что измерительный конденсатор — это полностью закрытый электронный прибор, не имеющий гальванически связанных контактов. Но вместо SMD-конденсатора C2 можно установить и классический выводной, который обычно имеет дополнительное защитное покрытие. Эффект будет чуть хуже, но тоже окажется очень выраженным.

Можно зафиксировать полярность заряда от разных источников света. Для этого нужно впаять в прибор два дополнительных конденсатора C3 и C4. Конденсатор C2, при этом, нужно выпаять (рис. 5). Теперь нужно поочерёдно засвечивать конденсаторы C3 и C4, и смотреть не только на показания дисплея, но и на цвет загорающегося светодиода (LED1, LED2). Если при засветке C3 зажегся красный светодиод, то при засветке этим же светом C4, зажжётся синий светодиод.

Появление заряда в измерительном конденсаторе при его облучении светом чем-то напоминает фотоэффект [7], а точнее — фотовольтаический эффект [8]. Однако в первом случае должна существовать так называемая «красная граница» фотоэффекта, чего в данном случае не наблюдается. Во втором случае необходима гальваническая связь между электродами и наличие полупроводниковых материалов, чего мы также здесь не видим. Общее же наблюдаемое для всех перечисленных эффектов свойство — безынерционность. Это свойство опровергает гипотезу о возможном появление заряда из-за нагрева C2, так как эффект появляется сразу же после попадания луча на этот конденсатор, а не постепенно, в зависимости от его прогрева. Кроме того, эффект появления заряда на C2 возникает и с обычным светом от светодиодной лампы.

Как уже было отмечено в начале работы, продольная волна проявляет себя через наведение заряда в веществе. При этом, чем выше частота колебаний, тем больше зарядов возникает при одной и той же амплитуде. Этот эксперимент и свойство продольных волн позволяют сделать вывод о том, что свет представляет собой не только поперечные, но и продольные (скалярные) волны, которые вызывают появление заряда в конденсаторе C2. В ходе эксперимента наведённый заряд накапливается в диэлектрике этого измерительного конденсатора (на одной из его обкладок), и между обкладками возникает разность потенциалов, которую сразу же показывает дисплей прибора.

Автор надеется, что данный эксперимент откроет новые возможности для физики, и позволит продольным волнам и скалярной энергии занять своё достойное место в электродинамике.