Foton – elektromagnit maydon kvanti; tinch holatdagi massasi nolga va spini l ga teng bo’lgan elementar zarra. Foton – barcha elementar zarralar ichida eng keng tarqalgani. U ko’rinuvchi yorug’lik oqimida ham, rentgen nurlanishda ham, radioto’lqinlar ko’rinishida ham, lazer impulslarida ham uchraydi. 1964 yilda amerikalik radioastronomlar A. Penzias va R. Vilson olam fazosi millimetrli radioto’lqinlar bilan to’lganligini aniqladilar; ularni 2,7 K temperaturadagi sovuq foton gaz sifatida qarash mumkin. Hozirgi zamon tasavvuriga ko’ra, bu nurlanish (uni relikt nurlanish deyiladi) Koinot rivojlanishining ilk bosqichlarida, modda temperaturasi va bosimi juda yuqori bo’lgan paytda vujudga kelgan (Kosmologiya). Relikt fotonlarning o’rtacha zichligi 1 sm ga taxminan 500 donani tashkil etadi. Bu sonni bizni o’rab olgan olamni tashkil etgan protonlarning tarqalganligi bilan taqqoslash mumkin: Koinotda 1 m³da o’rtacha bitta protongina bo’lar ekan. Shunday qilib, Koinotda fotonlar protonlarga qaraganda milliard marta ko’prog’i uchraydi.

Fotonning tarixiy taqdiri g’aroyibdir; ehtimol, bu uni eksperimental ochgan muallifni ko’rsatib berish mumkin bo’lmagan yagona elementar zarradir. Fotonni nazariy jihatdan M. Plank kashf qilgan; u 1900 yil 14 dekabrda Berlin fizika jamiyatining majlisida energiya nurlanishi kvanti to’g’risidagi gipotezani aytgan. Shu vaqtdan boshlab fizikada kvant erasi boshlandi. Plank g’oyasini davom ettirib, A. Eynshteyn 1905 yilda yorug’lik faqat nurlanibgina qolmay, alohida-alohida portsiyalar bilan yutilishini va u shu portsiyalardan tashkil topganligini taxmin qilgan. Masalan, biz suvni har doim portsiyalab, qultumlab ichamiz, lekin bundan suv alohida-alohida qultumlardan tashkil topgan, degan xulosa chiqmaydi. Eynshteyn nazariyasiga ko’ra, elektromagnit to’lqin kvantlar olimi ko’rinishida ifodalana boshlagan.

Plank ginotezasi fotoeffekt, lyuminestsentsiya va qator boshqa hodisalar qonuniyatlarini tushuntirishga imkon berdi. Elektromagnit nurlanishning korpuskulyar xossalari A. Kointonning erkin elektronlarda rentgen nurlarining sochilishini o’rganish bo’yicha o’tkazgan tajribalarida eng nihol ko’rindi (1922). Kompton effekti elektromagnit nurlanish to’g’risidagi kvant tasavvurning to’g’riligini tasdiqladi va 1920 yillar fizikasiga foton («yorug’lik» ni ifodalaydigan yunoncha so’z) deb ataladigan yangi elementar zarra uzil-kesil kirdi.

Har qanday boshqa kvant zarraga o’xshab foton ham bir vaqtning o’zida ham to’lqin, ham korpuskulyar xossalarga ega.

Yorug’likning to’lqin va korpuskulyar nazariyasi tarafdorlari orasida taxminan ikki asrga cho’zilgan munozaralarda hamma o’zicha haq edi. Odatdagi hayotda yorug’likning korpuskulyar xossalari namoyon bo’lmaydi, chunki biz yakka-yakka fotonlar bilan emas, balki bir yo’la yorug’lik oqimi sifatida qabul qilinadigan katta miqdor bilan ish ko’ramiz. Ma’lumki, eletkromagnit to’lqin doiraviy chastota , intensivlik va tarqalish tezligi s bilan xarakterlanadi; tarqalish tezligining ma’nosi o’zaro ta’sirlab tarqalishining limit tezligidir (hozirgi davrdagi qiymati s= 2,99792458• 10¹⁰ sm/s). Fotonning tegishli to’lqinlari E=ℏω energiyaga va p=ℏω/c impulsga ega bo’ladi (Plank doimiysining hozirgi davrdagi qiymati ℏ=1,0545887•10^-34J•s). Masalan, Quyoshning maksimal nurlanishi to’lqin uzunligi λ=4,6•10^-5 sm bo’lgan yorug’likka to’g’ri keladi, bu yorug’likning doiraviy chastotasi ω=2πc/λ=4,1•10¹⁵ Gs. Bunday fotonlarning energiyasi E=ℏ=4,3•10^-19J. Quyosh doimiysi, ya’ni vaqt birligida yer sirtining birlik yuziga tushadigan (0,14 J/sm²• teng) energiya, bundan 1 s da 1 sm²ga juda katta sonda, 3 • 10¹⁷ atrofida fotonlar tushadi. Ayni vaqtda elementar zarralar bilan o’tkazilayotgan tajribalarda detektorlar yakka-yakka qayd qiladi va hatto inson ko’zi buni ko’rishga qodir.

Fotonlar soni o’zgarib turadi, ular o’zaro ta’sir jarayonlarida paydo bo’lishi va yo’qolishi mumkin, masalan, annigilyatsiya jarayonida (Antimodda): e^-+e⁺→γ+γ(e^-,e⁺-elektron va pozitron belgisi, γ-foton, gamma-kvant belgisi). Bu yerda ham, Kompton effektda ham ( e^-+γ→e^-+γ) fotonlar real kuzatilayotgan zarralar sifatida namoyon bo’ladi. Bundan tashqari fotonlar kuzatilmaydigan, virtual holatda ham bo’lib, bunda ular elektromagnit o’zaro ta’sirlarni ko’chirib o’tkaziladi.

Fotonning elementar zarra sifatidagi xossalari klassik elektrodinamikaga borib taqaladi. Foton elektr jihatdan neytral, uning zaryadi nolga teng. (Aks holda ikkita elektromagnit to’lqin bir-biri bilan o’zaro ta’sirlashishi mumkin, ikkita zaryadning maydoni esa shu zaryadlardan har birining alohida-alohida maydonlari yig’indisi bo’lmas ekan). Foton, shuningdek, hech qanday boshqa zaryadga ega bo’lmaydi: u haqiqiy neytral va o’zining antizarrasiga aynan o’xshashdir (Antimodda). Fotonning zaryad juftligi – 1 ga teng, bundan biror sistema hamma zaryadlarining ishoralari o’zgarganda elektr va magnit maydonlari yo’nalishining qarama-qarshi tomonga o’zgarishi kelib chiqadi. Elektronlar va ularning antizarralari-pozitronlar orasidagi simmetriya bilan bog’liq bo’lgan eletkromagnit o’zaro ta’sirlarda zaryad juftligining saqlanishi reaktsiyalarda ma’lum cheklanishga olib keladi. Masalan, zarralarning ba’zi sistemalari faqat juft sondagi fotonlarga bo’linishi mumkin (Antimodda).

Fotonlarning eletkronlar va pozitronlar bilan o’zaro ta’sirlashish jaaryonlari ayniqsa yaxshi o’rganilgan. Buni kvant elektrodinamika o’rganib, uning oldindan bashorat qilganlari eksperimentda katta aniqlikda tekshirilgan.

Tinch holatdagi fotonning massasi nolga teng. Bu fotonni to’xtatib ham bo’lmasligini, sekinlatib ham bo’lmasligini bildiradi. O’z energiyasidan qat’iy nazar, u katta s tezlikda harakatlanadi. Foton juda kichik, lekin chekli m_γ massaga ega, deb taxmin qilinsa, bunda vujudga keladigan kuzatilayotgan effektni tekshirish mumkin. Xuddi oddiy zarralardagidek, fotonlarning tezligi bu holda ularning energiyasiga (ya’ni nurlanishning to’lqin uzunligiga) bog’liq bo’lgan va u hamisha s dan kichik bo’lgan bo’lar edi. Vakuumda elektromagnit to’lqinlarning dispersiya effektini pulsarlarning nurlanish bo’yicha kuzatish mumkin bo’lar edi. Obrazli qilib aytganda, ko’k nurlar kuzatuvchiga qizil nurlardan oldinroq keladi. Bizni pulsarlardan ajratib turadigan masofa juda katta bo’lgani uchun turli nurlarning tezliklari bir-biridan uncha katta farq qilmaganda ham, kelish vaqti yetarlicha farq qilishi kerak.

Tinch holatdagi fotonning massasi chekli bo’lishi eletkromagnit kuchlarning ta’sir radiuslari vujudga kelishiga olib kelar edi. Haqiqatan, agar zaryad virtual foton chiqarsa, energiyada noaniqlik paydo bo’ladi: ΔE≈m_γc² va noaniqlik munosabatiga ko’ra bunday foton faqat Δt≈ℏ/m_γc•² vaqt davomida yashaydi. Bu vaqtda u λ_γ=Δt•c≈ℏ/m_γ•c dan katta bo’lmagan masofani o’tishga ulguradi, bundan keyin u boshqa zaryad tomonidan yutilishi kerak.

Demak, tinch holatdagi fotonning chekli massasi effektlari juda katta yoki λ_γ tartibdagi masofada vujudga kelar ekan. Pulsarlar, sayyoralararo va galaktikalararo magnit maydonlarni kuzatish λ_γ≥10²²sm≈10 ming yorug’lik yili yoki m_γ≤3•10^-60g (taqqoslash uchun: elektron massasi m_e≈9,1•10^-28 g) ekanligi hisoblab chiqishga imkon berdi. Agar foton massasi 10-66 g dan kichik bo’lsa, elektromagnit kuchlarning ta’sir radiusi Koinotni ko’rish radiusi (2•10²⁸sm≈20 mlrd. yorug’lik yili) dan katta bo’lishini sezish mumkin. Shunday kichik massani tajribda topish mumkin emas, shuning uchun tinch holatdagi fotonning chekli massasini eksperimentlarda aniqlashga uncha katta bo’lmagan (10^-60 dan 10^-66 g gacha bo’lgan) oraliq qoladi. Shuning uchun bu massani nolga teng deb olish mumkin. Maydonlar kvant nazariyasida fotonning bu xususiyati bilan elektr zaryadning saqlanish qonuni orasida chuqur bog’liqlik borligi aniqlangan.

Foton nisbatan oddiy xossali, eng yaxshi o’rganilgan elementar zarralardan birdir. Fotonning tabiati va mikrodunyodagi o’rni to’g’risidagi tushunchalarimizning bundan keyingi chuqurlashishi barcha asosiy o’zaro ta’sirlarni bitta qilib birlashtiradigan nazariyaning rivojlanishi bilan amalga oshsa kerak (Tabiat kuchlarinig birligi).