(By Paul Sutter, Nederlandse machinevertaling onder, Source: https://www.livescience.com/what-are-photons

Photons carry the electromagnetic force, and act as both particles and waves.

Photons are fundamental subatomic particles that carry the electromagnetic force — or, in simpler terms, they are light particles (and so much more). The photon is also the “quantum,” or fundamental unit, of electromagnetic radiation. Everyone is surrounded by photons: The light coming from the screen you’re viewing is composed of photons, the X-rays doctor use to see bones are made of photons, the radio in a car receives its signal from photons, and the magnets on a fridge use photons to hold themselves up.

Like all other subatomic particles, photons exhibit wave-particle duality, meaning that sometimes they behave as tiny particles and sometimes they act as waves. Photons are massless, allowing them to travel at the speed of light in a vacuum (299,792,458 meters per second) and can travel an infinite distance.

PHOTON DISCOVERY

Although physicists have studied the nature of light for centuries, arguments went back and forth as to whether light was made of tiny particles or was wave-like in nature. In the late 1800s, however, the pioneering work of German physicist Max Planck changed the entire picture.

Planck was studying something called blackbody radiation, or light from a special device that emitted light at all frequencies as efficiently as possible. Until Planck, nobody could explain the spectrum of light coming from these devices, so Planck added a “fix” to the equations. By assuming that light could be emitted only in discrete chunks of energy, known as quanta, he was able to develop a formula that perfectly explained the blackbody spectra, according to HyperPhysics.

Physicists weren’t exactly sure what to make of Planck’s result, but several years later, Albert Einstein took it one step further. To explain the photoelectric effect, which is the release of electrons from a metal when light shines on it, Einstein proposed that light itself is composed of discrete little chunks, according to the American Physical Society. Over time, those little chunks became known as photons.

The work of Planck, Einstein and others to study the nature of light kick-started the development of quantum mechanics.

The photoelectric effect — emission of electrons when photons hit a metal surface. (Image credit: petrroudny via Getty Images)

ARE PHOTONS PARTICLES?

Strictly speaking, photons are neither particles nor waves; they are a combination of both. In some situations, their particle-like nature comes out more, and in others, their wave-like nature is more apparent.

For example, a detector can register the arrival of a single photon, which appears as a point-like particle. The process known as Compton scattering involves a photon striking an electron, and in that situation, the photon acts as a particle.

However, it’s impossible to predict exactly where or when a photon will strike a detector. In quantum mechanics, one can only assign probabilities to events. Those events are modeled by equations for waves, with peaks in the waves corresponding to regions of high probability of receiving a photon and troughs corresponding to regions of low probability, according to AccessScience by McGraw Hill.

This concept is best exemplified by the famous double-slit experiment, which solidified the dual wave-particle nature of light (and, eventually, other subatomic particles). When light passes through a screen with two slits cut into it, it forms an interference pattern on the detector on the other side of the screen, where the peaks of waves line up with each other in some places, and where the peaks and troughs cancel each other out in others. Even though only one photon passes through the screen at a time — with each individual photon acting like a particle — the interference pattern that emerges on the detector is the exact same pattern that would occur if waves were passing through the slits instead.

The double-slit experiment shows that light acts like both a particle and a wave. (Image credit: grayjay via Shutterstock)

DO PHOTONS HAVE MASS AND MOMENTUM?

Photons have zero mass, which allows them to travel at the fastest possible speed in the universe, the speed of light. However, they do have energy and momentum. The energy of a photon is given by Planck’s constant times the frequency of the light, and the momentum of a photon is given by Planck’s constant times the frequency of the light times the speed of light, according to the University of Calgary’s Energy Education website.

The fact that photons have momentum enables a broad array of applications. For example, solar sails are experimental propulsion devices that use sunlight to push a spacecraft. According to NASA, the photons from the sun bounce off of the reflecting sail, thus imparting their momentum on the sail and moving the spacecraft.

DO PHOTONS EXPERIENCE TIME?

Our understanding of the rate of the passage of time comes from Einstein’s theory of special relativity, which states that objects traveling closer and closer to the speed of light will experience slower and slower rates of the passage of time. In other words, moving clocks run slowly, according to John D. Horton of the University of Pittsburgh.

However, the mathematics of special relativity apply only to objects traveling more slowly than the speed of light and don’t apply directly to photons, which do travel at the speed of light. Thus, it’s impossible to say what a photon “experiences” in terms of the flow of time, because scientists have no mathematical language to support it. Another way to put this is that the concept of the flow of time is meaningless to photons.

ARE PHOTONS AFFECTED BY GRAVITY?

Because photons have both energy and momentum, they are influenced by gravity. Under Einstein’s theory of general relativity, which is our modern understanding of gravity, anything with any form of energy (including mass, momentum and torsion) is influenced by gravity. Specifically, massless particles, such as photons, follow “geodesics,” which are paths of minimum distance from one point to another, according to EarthSky.

In general relativity, space-time is curved due to the influence of massive objects. This can make the “minimum distance” path a curved line, just as jets have to follow a curved path to go straight from one city to another, because Earth itself is curved.

The curvature of space-time affects photons in several ways. When photons are moving from a region of strong gravity to a region of weaker gravity, they will lose energy, which lowers their frequencies to the redder end of the spectrum. When photons pass near massive objects, their direction of motion will change.

ADDITIONAL RESOURCES

• You can dig deeper into the relationship between light and time in this YouTube video hosted by the author of this article, astrophysicist Paul M. Sutter.
• For a fun exploration of the nature of quantum mechanics (which, of course, also discusses photons), check out “How to Teach Quantum Physics to Your Dog” (Scribner, 2010) by physicist Chad Orzel.
• The Physics Asylum also hosts a great video explainer on the nature of the photon, which you can watch here.

================================== =======================================

Wat zijn fotonen?

(Door Paul Sutter)  Bron: https://www.livescience.com/what-are-photons

Fotonen dragen de elektromagnetische kracht en werken zowel als deeltjes als golven..

Abstract representation of photons. (Image credit: Dizzo via Getty Images)

Fotonen zijn fundamentele subatomaire deeltjes die de elektromagnetische kracht dragen – of, in eenvoudiger bewoordingen, het zijn lichte deeltjes (en nog veel meer). Het foton is ook het ‘kwantum’ of fundamentele eenheid van elektromagnetische straling. Iedereen is omringd door fotonen: het licht dat van het scherm dat u bekijkt, is samengesteld uit fotonen, de röntgenfoto’s die artsen gebruiken om botten te zien, zijn gemaakt van fotonen, de radio in een auto ontvangt zijn signaal van fotonen en de magneten op een koelkast gebruikt fotonen om zichzelf overeind te houden.

Net als alle andere subatomaire deeltjes vertonen fotonen een dualiteit van golven en deeltjes, wat betekent dat ze zich soms gedragen als kleine deeltjes en soms als golven. Fotonen zijn massaloos, waardoor ze met de snelheid van het licht in een vacuüm (299.792.458 meter per seconde) kunnen reizen en een oneindige afstand kunnen afleggen.

FOTON ONTDEKKING

Hoewel natuurkundigen de aard van licht eeuwenlang hebben bestudeerd, gingen de argumenten heen en weer over de vraag of licht uit kleine deeltjes bestond of golfachtig van aard was. Aan het eind van de 19e eeuw veranderde het pionierswerk van de Duitse natuurkundige Max Planck echter het hele plaatje.

Planck bestudeerde iets dat blackbody-straling wordt genoemd, of licht van een speciaal apparaat dat zo efficiënt mogelijk licht op alle frequenties uitstraalt. Tot Planck kon niemand het lichtspectrum van deze apparaten verklaren, dus Planck voegde een “fix” toe aan de vergelijkingen. Door aan te nemen dat licht alleen kan worden uitgestraald in discrete brokken energie, ook wel quanta genoemd, kon hij een formule ontwikkelen die de spectra van het zwarte lichaam perfect verklaarde, aldus HyperPhysics.

Natuurkundigen wisten niet precies wat ze van Plancks resultaat moesten denken, maar enkele jaren later ging Albert Einstein nog een stap verder. Om het foto-elektrisch effect te verklaren, dat wil zeggen het vrijkomen van elektronen uit een metaal wanneer er licht op schijnt, stelde Einstein voor dat licht zelf is samengesteld uit discrete kleine brokken, volgens de American Physical Society. Na verloop van tijd werden die kleine brokken bekend als fotonen.

Het werk van Planck, Einstein en anderen om de aard van licht te bestuderen, was de start van de ontwikkeling van de kwantummechanica.

The photoelectric effect — emission of electrons when photons hit a metal surface. (Image credit: petrroudny via Getty Images)

ZIJN FOTONEN DEELTJES?

Strikt genomen zijn fotonen geen deeltjes of golven; ze zijn een combinatie van beide. In sommige situaties komt hun deeltjesachtige aard meer naar voren, en in andere is hun golfachtige aard duidelijker.

Een detector kan bijvoorbeeld de aankomst van een enkel foton registreren, dat verschijnt als een puntachtig deeltje. Het proces dat bekend staat als Compton-verstrooiing omvat een foton dat een elektron raakt, en in die situatie fungeert het foton als een deeltje.

Het is echter onmogelijk om precies te voorspellen waar of wanneer een foton een detector zal raken. In de kwantummechanica kan men alleen kansen toewijzen aan gebeurtenissen. Die gebeurtenissen worden gemodelleerd door vergelijkingen voor golven, met pieken in de golven die overeenkomen met regio’s met een hoge kans om een ​​foton te ontvangen en dalen die overeenkomen met regio’s met een lage waarschijnlijkheid, volgens AccessScience door McGraw Hill.

Dit concept wordt het best geïllustreerd door het beroemde dubbelspletenexperiment, dat de dubbele golf-deeltjesaard van licht (en, uiteindelijk, andere subatomaire deeltjes) stolde. Wanneer licht door een scherm met twee spleten erin gaat, vormt het een interferentiepatroon op de detector aan de andere kant van het scherm, waar de pieken van golven op sommige plaatsen met elkaar in lijn liggen, en waar de pieken en dalen elkaar opheffen elkaar uit in anderen. Hoewel er maar één foton tegelijk door het scherm gaat – waarbij elk afzonderlijk foton zich als een deeltje gedraagt ​​- is het interferentiepatroon dat op de detector naar voren komt precies hetzelfde patroon dat zou optreden als in plaats daarvan golven door de spleten zouden gaan.

The double-slit experiment shows that light acts like both a particle and a wave. (Image credit: grayjay via Shutterstock)

HEBBEN FOTONEN MASSA EN MOMENTUM?

Fotonen hebben massa nul, waardoor ze met de hoogst mogelijke snelheid in het universum kunnen reizen, de snelheid van het licht. Ze hebben echter wel energie en momentum. De energie van een foton wordt gegeven door Planck’s constante maal de frequentie van het licht, en het momentum van een foton wordt gegeven door Planck’s constante maal de frequentie van het licht maal de lichtsnelheid, volgens de Energy Education-website van de University of Calgary.

Het feit dat fotonen momentum hebben, maakt een breed scala aan toepassingen mogelijk. Zonnezeilen zijn bijvoorbeeld experimentele voortstuwingsapparaten die zonlicht gebruiken om een ​​ruimtevaartuig voort te duwen. Volgens NASA kaatsen de fotonen van de zon af van het reflecterende zeil, waardoor ze hun momentum op het zeil geven en het ruimtevaartuig bewegen.

ERVAREN FOTONEN TIJD?

Ons begrip van de snelheid van het verstrijken van de tijd komt van de speciale relativiteitstheorie van Einstein, die stelt dat objecten die steeds dichter bij de snelheid van het licht komen, steeds langzamere snelheden van het verstrijken van de tijd zullen ervaren. Met andere woorden, bewegende klokken lopen langzaam, volgens John D. Horton van de Universiteit van Pittsburgh.

De wiskunde van de speciale relativiteitstheorie is echter alleen van toepassing op objecten die langzamer reizen dan de lichtsnelheid en niet rechtstreeks op fotonen, die wel met de lichtsnelheid reizen. Het is dus onmogelijk om te zeggen wat een foton “beleeft” in termen van tijdsstroom, omdat wetenschappers geen wiskundige taal hebben om dit te ondersteunen. Een andere manier om dit te zeggen is dat het concept van de stroom van tijd betekenisloos is voor fotonen.

WORDEN FOTONEN BENVLOED DOOR ZWAARTEKRACHT?

Omdat fotonen zowel energie als momentum hebben, worden ze beïnvloed door de zwaartekracht. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, wat ons moderne begrip van zwaartekracht is, wordt alles met enige vorm van energie (inclusief massa, momentum en torsie) beïnvloed door zwaartekracht. Specifiek volgen massaloze deeltjes, zoals fotonen, “geodeten”, dit zijn paden met een minimale afstand van het ene punt naar het andere, volgens EarthSky.

In de algemene relativiteitstheorie is de ruimte-tijd gekromd door de invloed van massieve objecten. Hierdoor kan het pad van de “minimale afstand” een gebogen lijn worden, net zoals jets een gebogen pad moeten volgen om rechtstreeks van de ene stad naar de andere te gaan, omdat de aarde zelf gekromd is.

De kromming van ruimte-tijd beïnvloedt fotonen op verschillende manieren. Wanneer fotonen van een gebied met sterke zwaartekracht naar een gebied met zwakkere zwaartekracht gaan, verliezen ze energie, waardoor hun frequenties naar het rodere uiteinde van het spectrum worden verlaagd. Wanneer fotonen in de buurt van massieve objecten passeren, verandert hun bewegingsrichting.

AANVULLENDE HULPBRONNEN

• Je kunt dieper ingaan op de relatie tussen licht en tijd in deze YouTube-video, gehost door de auteur van dit artikel, astrofysicus Paul M. Sutter.

• Voor een leuke verkenning van de aard van de kwantummechanica (waarin natuurlijk ook fotonen worden besproken), ga je naar “How to Teach Quantum Physics to Your Dog” (Scribner, 2010) van natuurkundige Chad Orzel.

• The Physics Asylum heeft ook een geweldige video-uitleg over de aard van het foton, die je hier kunt bekijken. (links in het originele Engelstalige artikel boven)

2