Περί φωτονίων

Καλησπέρα συνάδελφοι.

Δημήτρη διάβασα το πολύ ενδιαφέρον άρθρο σου. Να προσπαθήσω και εγώ, όπως το καταλαβαίνω και πολύ σύντομα, να περιγράψω το φωτόνιο (με όλους τους κινδύνους που εξκυμονούν εκεί έξω…). Σε πολλά συμφωνούμε. Θα ξεκινήσω όμως από τα …φωνόνια, τα οποία μου είναι πιο "οικεία".

Τα φωνόνια περιγράφουν τις διεγέρσεις (κανονικές ταλαντώσεις) του κρυσταλλικού πλέγματος σε έναν ημιαγωγό, λόγω της απορρόφησης ενέργειας από τον κρύσταλλο. Συγκεκριμένα προκύπτουν από την κβάντωση του πεδίου των ταλαντώσεων (κάθε ιόν στο πλέγμα περιγράφεται από μία χρονική εξίσωση απομάκρυνσης από την θέση ισορροπίας του και το σύνολο των απομακρύνσεων σε κάθε σημείο του πλέγματος δημιουργούν ένα πεδίο ή «κύμα»). Η ενέργεια των διεγέρσεων αυτών προκύπτει ανάλογη της συχνότητας των κανονικών ταλαντώσεων του κρυστάλλου και περιγράφεται οιονεί κβαντικού σωματιδίου, από το φωνόνιο. Τα φωνόνια δεν έχουν μάζα, δεν αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους και ικανοποιούν την στατιστική Bose.

Αναφερόμαστε σε «σωματίδιο» όχι υπό την έννοια του αυστηρού εντοπισμού των φωνονίων στο χώρο (εξ’ άλλου ακόμη και τα σωματίδια με μάζα όπως το ηλεκτρόνιο δεν εντοπίζονται αυστηρά σε ένα σημείο του χώρου, παρά μόνον όταν αλληλεπιδρούν), αλλά με το ότι οι διεγέρσεις του πλέγματος μπορούν να δημιουργηθούν και καταστραφούν σε διάφορα σημεία του πλέγματος μέσω της αλληλεπίδρασης των φωνονίων. Για παράδειγμα, με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον κρύσταλλο.  Μπορούμε για παράδειγμα να ορίσουμε τελεστές δημιουργίας και καταστροφής των φωνονίων, όπως στον κβαντικό αρμονικό ταλαντωτή για ένα ηλεκτρόνιο σε παραβολικό δυναμικό.

Η περιγραφή της αλληλεπίδρασης φωνονίων -ηλεκτρονίων προσομοιάζει σε πολλά και περιγράφεται με τα ίδια «εργαλεία» (για παράδειγμα τα διαγράμματα Feynman) με την αλληλεπίδραση φωτονίων -ηλεκτρονίων (ιστορικά βέβαια προηγήθηκε η δεύτερη). Σε αυτήν τα φωτόνια περιγράφονται ως οι κανονικές ταλαντώσεις (διεγέρσεις) του Η/Μ πεδίου, μέσω της απορρόφησης ή εκπομπής των οποίων για παράδειγμα, διεγείρονται ή αποδιεγείρονται τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά ενός ατόμου.  

Στο ερώτημα λοιπόν αν το φωτόνιο είναι σωματίδιο, θα απαντούσα ναι, έχοντας πάντα κατά νου ότι τα κβαντικά σωματίδια έχουν τελείως διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά από τα κλασσικά σωμστίδια (για παράδειγμα τα πρώτα υπακούουν στην αρχή της απροσδιοριστίας, τα δεύτερα όχι). 

Είναι το ηλεκτρόνιο περισσότερο "σωματίδιο" από το φωτόνιο, επειδή έχει μάζα; Θα απαντούσα ότι το πρώτο είναι κβαντικό σωματίδιο  με μάζα, το δέυτερο κβαντικό σωματίδιο χωρίς μάζα (το ένα αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs, το άλλο όχι, μετά το 2005).

Τα φαινόμενα Compton και το φωτοηλεκτρικό απέδειξαν την ύπαρξη των φωτόνιων πέραν κλαθε αμφιβολίας; Δεν ξέρω να απαντήσω, αλλά τι έχει αποδειχτεί στην επιστήμη πέραν κάθε αμφιβολίας; Σίγουρα αν δεν το απέδειξαν, απετέλεσαν ισχυρές ενδείξεις για την παρουσία του.

Φυσικά μπορεί ο Willis Lamb να μην μου έδινε ποτε την άδεια και ο Einstein να με θεωρούσε κατεργάρη … (συμφωνώ περισσότερο με τον δεύτερο γιατί είναι περισσοτερο σαφής, δεν ξέρουμε τι ακριβώς είναι το φωτόνιο ).

Νά σαι καλά.