Fotoni

Fotoni eli valokvantti tai valohiukkanen on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen (mittabosoni). Tyhjiössä fotoni kulkee vakionopeudella c = 299 792 458 m/s, eli noin 300 000 km sekunnissa. Fotonilla ei ole lepomassaa eikä sähkövarausta (tai varaus on ainakin alle 10−46 kertaa alkeisvaraus). Sen kuljettama energia ja liikemäärä ovat verrannollisia säteilyn taajuuteen. Aineen kohdatessaan fotoni hidastuu tai absorboituu. Fotoneilla on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. Fotonin spin on 1. Näkyvä valo koostuu fotoneista, kuten kaikki sähkömagneettinen säteily: radioaallot, infrapuna- ja ultraviolettivalo sekä röntgen- ja gammasäteily. Fotoneilla on erilaisia aalto- ja hiukkasluonteen yhteisiä ominaisuuksia. Niitä ovat mm. emissio, absorptio, taittuminen ja heijastuminen. Modernin fotonin mallin kehitti Albert Einstein vuosien 1905 ja 1917 välillä selittämään kokeiden tuloksia, jotka eivät käyneet yhteen perinteisen valon aaltomallin kanssa. Erityisesti fotoniteoria sisälsi energian riippuvuuden valon aallonpituudesta ja selitti aineen ja säteilyn kyvyn olla termodynaamisessa tasapainossa. Muut fyysikot yrittivät selittää näitä puoliklassisilla malleilla, joissa valoa kuvattiin edelleen Maxwellin yhtälöillä, mutta valoa emittoivat tai absorboivat esineet oli kvantisoitu. Vaikka puoliklassiset mallit edistivät kvanttimekaniikan kehitystä, kokeet osoittivat todeksi Einsteinin hypoteesin valon hiukkasluonteesta. Fotoniteorian keksiminen mahdollisti teoreettisen ja kokeellisen fysiikan edistysaskeleet kuten laserin, Bosen–Einsteinin kondensaatin, kvanttikenttäteorian ja kvanttimekaniikan todennäköisyystulkinnan. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan fotonit tuottavat kaikki sähkö- ja magneettikentät ja ovat itse tulosta aika-avaruuden symmetrian vaatimuksesta. Fotonien ominaisuudet – varauksen, massan ja spinin – määrittää mittasymmetria. Vuonna 2017 tehdyssä tieteellisessä kokeessa saatiin viitteitä siitä, että ihminen kykenee aistimaan yhden ainoan fotonin lähettämää häviävän pientä energiaa, vaikka se ei synnytäkään aivoissa normaalia valoaistimusta. Myös sammakoiden sauvasolut kykenevät reagoimaan yksittäisiin fotoneihin.