Um (do grego antigo , [], "luz") é uma partícula elementar que constitui o quantum do campo eletromagnético, incluindo a radiação eletromagnética, como a luz e as ondas de rádio, atuando como o mediador da força para a interação eletromagnética. Os fótons são partículas sem massa que só podem se mover a uma velocidade invariante, a velocidade da luz medida no vácuo. O fóton pertence à classe dos bósons.
Assim como ocorre com outras partículas elementares, os fótons são mais bem descritos pela mecânica quântica e exibem dualidade onda-partícula, com seu comportamento apresentando propriedades tanto de ondas quanto de partículas. O conceito moderno de fóton originou-se durante as duas primeiras décadas do século XX com os trabalhos de Albert Einstein, que se baseou nas pesquisas de Max Planck. Enquanto Planck buscava explicar como a matéria e a radiação eletromagnética podiam coexistir em equilíbrio térmico, propôs que a energia armazenada em um objeto material deveria ser considerada como composta por um número inteiro de partes discretas e de magnitude idêntica. Para explicar o efeito fotoelétrico, Einstein introduziu a ideia de que a própria luz é constituída por unidades discretas de energia. Em 1926, Gilbert N. Lewis popularizou o termo fóton para designar essas unidades fundamentais de energia. Subsequentemente, diversos outros experimentos confirmaram a abordagem teórica de Einstein.
No Modelo Padrão da física de partículas, os fótons e outras partículas elementares são descritos como uma consequência necessária de que as leis físicas exibem uma determinada simetria de calibre local em cada ponto do espaço-tempo. As propriedades intrínsecas das partículas, como carga elétrica, massa invariante e spin, são determinadas por essa simetria de calibre. O conceito de fóton gerou avanços extraordinários na física teórica e experimental, viabilizando o desenvolvimento de lasers, da condensação de Bose-Einstein, da teoria quântica de campos e da interpretação probabilística da mecânica quântica. Ele encontrou aplicações na fotoquímica, na microscopia de alta resolução e nas medições de distâncias moleculares. Além disso, os fótons têm sido estudados como elementos fundamentais para a construção de computadores quânticos, bem como para aplicações em imagens ópticas e em sistemas de comunicação óptica, como a criptografia quântica.
Propriedades físicas O fóton não possui carga elétrica, é geralmente considerado desprovido de massa de repouso, e é uma partícula estável. O limite superior experimental para a massa do fóton é extremamente diminuto, da ordem de 10−53 g; seu tempo de vida seria superior a 1018 anos. A título de comparação, a idade do universo é de cerca de 13,8 bilhões de anos.
Comprovou-se experimentalmente que fótons individuais se propagam exatamente à velocidade da luz no vácuo, em medições que utilizam fontes anunciadas de fótons únicos.
No vácuo, um fóton possui dois estados possíveis de polarização. O fóton é o bóson de calibre do eletromagnetismo,"Role as gauge boson and polarization" §5.1 in e, portanto, todos os seus demais números quânticos (como número leptônico, número bariônico e números quânticos de sabor) são estritamente nulos. Ademais, os fótons obedecem à estatística de Bose-Einstein, e não à estatística de Fermi-Dirac. Isto é, eles não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, permitindo que múltiplos fótons ocupem simultaneamente o mesmo estado quântico fundamental.
Os fótons são emitidos quando cargas elétricas sofrem aceleração, como na emissão de radiação síncrotron. Durante transições moleculares, atômicas ou nucleares para níveis energéticos mais baixos, os fótons emitidos apresentam energias características que abrangem desde as ondas de rádio até os raios gama. Fótons também são gerados quando uma partícula e sua correspondente antipartícula sofrem aniquilação mútua (por exemplo, na aniquilação elétron-pósitron).
Energia e momento linear
miniatura|direita|O cone ilustra os valores possíveis do quadrivetor de onda de um fóton. O eixo "tempo" representa a frequência angular (rad⋅s−1) e o eixo "espaço" representa o número de onda angular (rad⋅m−1). Verde e anil representam os estados de polarização circular esquerda e direita.
No modelo da mecânica quântica, as ondas eletromagnéticas transferem energia por meio de fótons com energia proporcional à sua frequência ():
onde é a constante de Planck, uma constante física fundamental. A energia também pode ser expressa em função da frequência angular () ou do comprimento de onda ():
onde é a constante de Planck reduzida (ou constante de Dirac) e é a velocidade da luz.
O momento linear de um fóton é dado por:
onde é o vetor de onda, cujo módulo é o número de onda:
Como aponta na direção de propagação do fóton, a magnitude de seu momento linear é:
A energia do fóton pode ser expressa de forma concisa como , onde é o módulo do vetor momento linear . Essa expressão decorre diretamente da relação de energia-momento da relatividade restrita:
ao se impor a condição de que a massa de repouso seja nula ().
Polarização e momento angular de spin
O fóton também transporta momento angular de spin, intrinsecamente associado à polarização do fóton. (Feixes ópticos macroscópicos também podem exibir propriedades descritas como momento angular orbital da luz).
O momento angular intrínseco do fóton admite dois autovalores possíveis: ou . Esses dois valores correspondem aos dois estados puros de polarização circular (horária e anti-horária). Feixes de luz macroscópicos contêm populações com superposições lineares desses dois estados; um feixe com polarização puramente linear comporta-se como uma superposição balanceada com números iguais de ambos os estados de momento angular.
O momento angular de spin da luz independe de sua frequência, fato verificado experimentalmente por C. V. Raman e Suri Bhagavantam em 1931.
Aniquilação de antipartículas
A colisão frontal entre uma partícula e sua correspondente antipartícula pode gerar fótons. No espaço livre, pelo menos dois fótons devem ser obrigatoriamente produzidos, visto que, no referencial do centro de momento, o momento linear líquido do par em colisão é nulo, ao passo que um fóton isolado sempre transporta momento não nulo (ditado por sua frequência ou comprimento de onda, que não podem ser zero). Portanto, a conservação do momento linear (ou, equivalentemente, a invariância sob translação) impõe a criação de pelo menos dois fótons com momento líquido nulo. A energia e a frequência dos dois fótons resultantes são deduzidas pela conservação do quadrimomento.
Sob outra perspectiva, o fóton pode ser considerado sua própria antipartícula (portanto, um "antifóton" seria fisicamente idêntico a um fóton ordinário com momento oposto, mesma polarização e defasagem de 180°). O processo inverso, a produção de pares, constitui o principal mecanismo pelo qual fótons de altíssima energia, como os raios gama, transferem e perdem energia ao atravessar a matéria condensada. Esse processo é o inverso termodinâmico da aniquilação em um único fóton, a qual é viabilizada apenas na presença do campo coulombiano de um núcleo atômico que absorve o recuo do momento.
As equações clássicas da energia e do momento da radiação eletromagnética podem ser reescritas em termos de eventos quânticos com fótons. Por exemplo, a pressão de radiação exercida pela luz sobre uma superfície decorre da transferência líquida do momento linear dos fótons por unidade de tempo e de área, uma vez que a pressão é a força por unidade de área e a força é a taxa temporal de variação do momento linear.
Testes experimentais da massa do fóton As teorias físicas vigentes e aceitas estabelecem que o fóton possui massa de repouso estritamente nula. Caso os fótons possuíssem massa não nula, suas velocidades no vácuo variariam com a frequência: fótons de menor energia (mais avermelhados) viajariam ligeiramente mais devagar do que fótons de alta energia. A relatividade não seria invalidada por essa eventualidade; a chamada velocidade da luz, , deixaria de ser a velocidade física do fóton para constituir uma constante universal assintótica que atua como o limite superior de velocidade para qualquer entidade física no espaço-tempo. Nesse cenário hipotético, permaneceria sendo a velocidade de propagação das perturbações do próprio espaço-tempo (ondas gravitacionais e grávitons), mas diferiria da velocidade da radiação eletromagnética.
Uma massa não nula para o fóton acarretaria diversas outras consequências mensuráveis: a lei de Coulomb sofreria modificações (assumindo uma forma semelhante ao potencial de Yukawa) e o campo eletromagnético ganharia um terceiro grau de liberdade de polarização física longitudinal. Tais efeitos possibilitam ensaios laboratoriais muito mais sensíveis do que testes diretos de velocidade. Se a lei de Coulomb não for rigorosamente exata, um campo elétrico estático poderia penetrar o interior oco de um condutor submetido a um campo elétrico externo. Experimentos com condutores ocos estabeleceram um limite superior de para a massa do fóton.
Limites superiores consideravelmente mais estritos foram obtidos investigando-se potenciais efeitos gerados pelo potencial vetor magnético em escalas galácticas. Como os campos magnéticos galácticos estendem-se por distâncias imensas, o termo de massa de Proca induziria correntes anômalas no plasma interestelar. A ausência dessas distorções plasmáticas impõe um teto de . Experimentos laboratoriais medindo o torque exercido sobre anéis magnetizados confirmaram limites dessa magnitude, fixando o teto adotado pelo Particle Data Group em (cerca de ). Contudo, demonstrou-se que os limites astrofísicos baseados no potencial galáctico dependem fortemente de premissas sobre a topologia do meio interestelar. Caso uma eventual massa do fóton seja gerada via mecanismo de Higgs, o limite mais robusto e livre de premissas cosmológicas permanece sendo aquele obtido pelo teste da lei de Coulomb ().
Desenvolvimento histórico
miniatura|Esboço de Thomas Young sobre a interferência baseada em observações de ondas aquáticas. Young argumentou que os efeitos similares observados com a luz corroboravam um modelo ondulatório em oposição à teoria corpuscular de Newton.
Na maioria das teorias científicas até o século XVIII, a luz era concebida como um feixe de corpúsculos materiais. Como os modelos puramente corpusculares encontravam severas dificuldades para explicar a refração, a difração e a birrefringência, formulações ondulatórias para a luz foram propostas por René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) e Christiaan Huygens (1678); não obstante, o modelo corpuscular manteve-se dominante em virtude do enorme prestígio de Isaac Newton. No início do século XIX, Thomas Young e Augustin-Jean Fresnel demonstraram conclusivamente os fenômenos de interferência e difração da luz, consolidando o modelo ondulatório por volta de 1850. A formulação matemática de James Clerk Maxwell em 1865 demonstrando que a luz é uma onda eletromagnética — confirmada experimentalmente por Heinrich Hertz em 1888 ao detectar ondas de rádio — parecia ter encerrado definitivamente o debate sobre a natureza puramente contínua e ondulatória da luz.
miniatura|upright=1.25|Em 1900, o modelo de Maxwell descrevendo a luz como oscilações acopladas dos campos elétrico e magnético parecia completo. Contudo, diversas anomalias termodinâmicas e atômicas impuseram a conclusão de que a energia luminosa é transferida em pacotes quantizados descritos por . Experimentos posteriores revelaram que esses quanta transportam momento linear e comportam-se como partículas elementares: nascia o conceito de fóton.