Ποιά είναι η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου;

 Σε πολλές απο τις ομιλίες σε συναδέλφους φυσικούς που έκανα πρόσφατα, δέχτηκα αρκετές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις - στο επίπεδο που έχει σημασία για τη δική μας κατανόηση ώστε να αισθανόμαστε ασφαλείς με αυτο που διδάσκουμε- και κάποιες απο αυτές θεωρώ χρήσιμο να μεταφέρω και εδω σε μια σειρά αναρτήσεων αρχίζοντας με την ερώτηση του τίτλου.

Να πώ λοιπόν αμέσως οτι το φωτόνιο - ας πούμε σε μια μονοδιάστατη κίνηση- δεν περιγράφεται απο μια κυματοσυνάρτηση ψ(x,t) όπως τα κοινά υλικά σωματίδια ( πχ το ηλεκτρόνιο) η οποία ικανοποιεί την εξίσωση Σρέντιγκερ. Σίγουρα όχι. Το φωτόνιο ''κατάγεται'' απο ενα κλασικό ΗΜκό κύμα και δεν γίνεται να ''ξεχάσει'' τον κλασικό του εαυτό.Επομένως μια πολυ λογική σκέψη είναι οτι η κυματικη φύση του φωτονίου είναι αυτη που ξέραμε και απο την κλασική ΗΜκή θεωρία- ας πουμε ενα επίπεδο ΗΜκό κύμα- μόνο που αυτό το κύμα θα πρέπει να ερμηνευτεί πιθανοκρατικά. Λέμε δλδ οτι η Ψ του φωτονίου είναι ενα κλασικο ΗΜκό κύμα ερμηνευμενο πιθανοκρατικά.

Αυτή η εικόνα μας βοηθάει να καταλάβουμε τον τρόπο με τον οποίο το φωτόνιο αλληλεπιδρά με τα φορτισμένα σωματίδια( αλληλεπιδρά μέσω του ηλεκτρικού του πεδίου) και να καταλάβουμε επίσης οτι ενα φωτόνιο μπορει να βρίσκεται σε διάφορες καταστάσεις πόλωσης όπως και ένα κλασικό ΗΜκό κύμα. Μπορούμε δλδ να έχουμε κυκλικα πολωμένα φωτόνια(με δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη πόλωση) ή γραμμικά πολωμένα σε κάποια κατεύθυνση. 

Επομένως η ιδέα οτι το φωτόνιο είναι κάτι σαν ''μπαλλάκι'' που συγκρούεται με άλλα ''μπαλλάκια'' (πχ ηλεκτρόνια) οπως δυο κλασικα σφαιρίδια δεν είναι σωστή αν την πάρουμε κατά λέξη. Αν πχ το φωτόνιο συναντήσει στο δρόμο του ενα ουδέτερο σωμάτιο δεν θα ''συγκρουστεί'' με αυτό αφου δεν μπορεί να αλληλεπιδράσει μαζί του μέσω του ηλεκτρικού του πεδίου.

Όλα τα παραπάνω δεν είναι όμως αυστηρά σωστα! Η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου είναι κάτι ασύγκριτα πολυπλοκώτερο απο το κλασικό ΗΜκό κύμα απο το οποίο κατάγεται. Είναι όμως μια καλή πρώτη εικόνα που βοηθά να καταλαβαίνουμε το τι συμβαίνει και να αποφεύγουμε παρανοήσεις και χονδροειδείς περιγραφές που οδηγούν σε λάθος συμπεράσματα. Η ακριβής περιγραφή του φωτονίου χρειαστηκε περίπου 20-25 χρόνια για να ολοκληρωθεί με επιτυχία και είναι η λεγόμενη κβαντική ηλεκτροδυναμική. Η πρώτη κβαντικη θεωρία πεδίου που μπορέσαμε να οικοδομήσουμε. Ενω αντίθετα η κβαντομηχανική των υλικών σωματιδίων ( τουλάχιστον στην μη σχετικιστική περίπτωση) στήθηκε μέσα σε δύο χρόνια ( με βαση την εξίσωση Σρέντιγκερ και την πιθανοκρατική της ερμηνεία) και είναι ασύγκριτα ευκολότερη απο την κβαντομηχανική των φωτονίων η οποία διδάσκεται κυρίως στο μεταπτυχιακό επίπεδο.

Μιά συζήτηση για τα παραπάνω θα βρείτε επίσης στην ΚΜκή Λυκείου σ. 81.