چیستیِ فوتون

جان ماربرگر
ریچارد فاینمن، در اولین سخنرانی كتاب QED: نظریه عجیب نور و ماده می‌گوید:
نیوتون بر این باور بود كه نور از ذرات تشكیل شده است – او این ذرات را كورپوسكل نامید – و حق با تیوتون بود . . . مطمئن هستیم كه نور از ذرات تشكیل شده است، زیرا می‌توانیم ابزاری بسیار حساس بگیریم، كه وقتی نور به آن می‌تابد صدا می‌كند، و اگر نور كم شود، از بلندی صدای تق‌تق‌ها كاسته نمی‌شود – اما تعداد آن‌ها كمتر می‌شود. بنابراین نور چیزی شبیه به قطرات باران است – هر تكه كوچك نور یك فوتون نامیده می‌شود – و اگر نور كاملاً از یك رنگ باشد، همه قطره‌های باران هم اندازه‌اند.
می‌خواهم تأكید كنم كه نور به این صورت – یعنی ذرات – وجود دارد. دانستن اینكه نور مانند ذرات رفتار می‌كند بسیار مهم است، مخصوصاً برای آن عده از شما كه به مدرسه رفته‌اید و احتمالاً به شما چیزهایی گفته‌اند راجع به اینكه نور شبیه امواج رفتار می‌كند. من به شما می‌گویم نور چطور رفتار می‌كند – مثل ذرات.
فاینمن، پیشتر از این مطلب، در سخنرانی‌اش توضیح می‌دهد كه فیزیك‌دان‌ها بعضی از واژه‌های روزمره، مثل كار، كنش و حتی نور را به شیوه‌ای غریب به كار می‌برند، كه حاوی فنی متفاوت با معانی روزمره آن‌ها است. ذره از این نوع كلمات نیست، اما فاینمن بعداً می‌گوید برای اینكه به زحمت اختراع واژه‌های جدیدی مثل موج‌ذره نیفتیم، قرار گذاشته‌ایم این موجودات را هم ذره بنامیم. با در نظر گرفتن این احتیاط‌ها، نقل قول فاینمن در ابتدای مقاله بیش از حد قاطع به نظر می‌آید. فاینمن مدعی است كه تصویر ذره‌ای نیوتون صحیح بوده است، و نور را با قطره‌های باران مقایسه می‌كند.
از فوتون‌ها به عنوان تكه‌های نور یاد می‌كند. این تأكید روی ذرات اثر عمیقی در بر دارد – خوانندگان را برای رویارویی با رفتار متناقض و عجیب و غریب آنچه باعث صدای تق می‌شود، آماده می‌كند. فاینمن همواره تأكید می‌كرد كه مكانیك كوانتومی تا چه حد با شهود رایج ما متناقض است. سخنرانی‌های او این عجیب بودن مكانیك كوانتومی را در قالب پارادوكس‌هایی عریان جلوه می‌دهند، تا غیر فیزیك‌دان‌ها هم بتوانند در شگفتی اهل فن سهیم باشند. اما بعضی اوقات این شیوه بیان، اثرات جنبی منفی دارد. یكی از این آثار، در اینجا، این است كه تصویر فوتون به عنوان تكه نور را جا می‌اندازد. در این مقاله به اینكه فیزیك‌دان‌ها واژه فوتون را عملاً چگونه به كار می‌برند دقیق‌تر می‌نگریم، تا تصویر معقول‌تری از این نماینده پدیده‌های كوانتومی به دست آوریم.
آنچه می‌توان به درستی با زبان ساده بیان كرد این است كه نور در آشكارگرهای نوری صدای تق ایجاد می‌كند. در دوران مكانیك كوانتومی قدیم (1925 -1900) برخی از فیزیك‌دان‌ها، از جمله نیلس بور، تلاش كردند صدای تق را با رفتار كوانتومی اتم‌های آشكارگر توضیح دهند، نه با رفتار كوانتومی نور. طبق چنین نظریه‌ای صدای تق ناشی از آن است كه اتم‌ها فقط در بسته‌های انرژی پلانك E=hv می‌توانند انرژی جذب یا گسیل كنند. این توضیح، با تحلیلی كه پلانك خود در سال 1900 از تابش گرمایی به دست داد سازگار است؛ پلانك فقط جسمی را كه در تعادل گرمایی با نور قرار داشت كوانتیده كرد، نه خود نور را. این نگرش را می‌توان تا حد زیادی به جلو برد. در واقع این نگرش اساس چیزی را تشكیل می‌دهد كه امروزه آن را تحلیل نیمه كلاسیك آشكارگری می‌نامند. تمام پدیده‌هایی كه فاینمن در فصل دوم كتاب QED، فوتون‌ها: ذرات نور، توضیح می‌دهد، را می‌توان به طور نیمه كلاسیك توضیح داد. این اینشتین بود كه اعلام كرد انرژی نور باید مستقل از برهم‌كنش آن با ماده كوانتیده باشد. در پدیده كامپتون الكترون به خاطر برهم‌كنش با نور تكفام (پرتوی x) پس‌زده می‌شود. انگار كه با ذره‌ای برخورد كرده است، و جهت و بسامد نور هم تغییر می‌كند؛ این پدیده تأیید محكمی بر نظر اینشتین است. امروزه، صدای تق آشكارگرهای نور را نشانه جذب یك بسته – یك كوانتوم – انرژی می‌گیریم، كه مستقل از آشكارگر وجود دارد. البته خود تق، فوتون نیست. برای درك فوتون، بیایید اول ببینیم كه این تق چه ربطی به نور دارد.
وقتی فیزیك‌دان‌ها صدای تق آشكارگر را می‌شوند، می‌گویند یك فوتون شمرده‌اند. بعضی از آن‌ها ممكن است بگویند این هم یك فوتون دیگر اما این صداها نه تنها در زمان بلكه در فضا نیز جایگزیده هستند (جایگزیدگی آن‌ها را در فضا، اندازه روزنه ورودی آشكارگر تعیین می‌كند كه علی‌الاصول ممكن است به اندازه یك اتم باشد). این صداها ماندگار نیستند. هنگامی كه فیزیك‌دان‌ها از فوتون حرف می‌زنند، به نظر می‌رسد خصلتی از نور را در ذهن دارند كه ماندگار است، دست كم تا لحظه‌ای كه صدای تق شمرده شدن آن را اعلام كند. همان‌طور كه اینشتین هم اعتراض می‌كرد، تعیین اینكه این خصلت دقیقاً چیست به طرز عجیبی دشوار است.
ما دوست داریم نور را هم مثل اجسامی از قبیل میز و صندلی در نظر بگیریم، اجسامی كه گاه می‌توان آن‌ها را لمس كرد و حس كرد كه هنوز در جای خود هستند. صدای تق مثل عمل كردن است. طبعاً فكر می‌كنیم كه نور هم باید مثل اجسام ماندگار دیگری باشد كه لمسشان می‌كنیم.
این اجسام ماندگار چه هستند؟ به نظر می‌آید كه همه به طور غریزی جهانی را تصور می‌كنند كه به آن لحظه‌هایی كه مشغول مشاهده‌اش هستیم محدود نمی‌شود. به طور خاص، میز را مجموعه‌ای از لمس كردن‌ها كه ما را از ادامه وجودش مطمئن می‌كند، نمی‌دانیم. در عمل چیزی را در نظر داریم كه در فاصله میان لمس كردن‌ها هم پا برجاست و به آن چیز است كه واژه‌های حقیقی و میز را نسبت می‌دهیم. به نظر می‌آید این حرف‌ها فلسفه باشد، نه فیزیك، و همین طور هم هست، اما مكانیك كوانتومی ما را وادار كرده است تا این موضوع را زیر ذره‌بین بگذاریم، و فوتون مثال محض اجسام كوانتومی است.