В том случае, когда количество опытов, а следовательно, и уравнений, меньше числа искомых характеристик изучаемого объекта (информационная недостаточность), решить задачу становится невозможно. Иногда недостающие уравнения восполняют гипотезами, то есть уравнениями, основанными не на опыте, а на догадке или предположении. В этом случае при совместном решении уравнений (вытекающих из опыта, а также гипотетических) получаются искомые данные, в которых содержатся элементы принятых гипотез. Сказанное означает, что при использовании ошибочных гипотез все результаты решения задачи также будут ошибочными. Попробуем последовательно углубиться в изучение природы фотона, привлекая один за другим только известные экспериментальные результаты.
Установлено, что энергия фотона описывается формулой E = mc2. Если бы фотон, как корпускула, двигался поступательно и с постоянной скоростью, то его энергия была равна E1 = 1/2 mc2. Почему же действительная энергия фотона в два раза больше по сравнению с энергией поступательно движущейся корпускулы такой же массы? Ответ на этот вопрос можно найти, если представить форму фотона в виде тороида (аналогично круглой баранке), вся масса m которого расположена на периферии. При вращении такого фотона вокруг оси, перпендикулярной плоскости симметрии тороида, с окружной скоростью равной C = wr, где w - угловая скорость и r - радиус фотона, у него появится энергия вращательного движения равная E = 1/2 Jw2 ( J - момент инерции), учитывая значение J = mr2 для тороида и величину w = c/r, получим E2 = 1/2 mc2. Следовательно, полная энергия фотона будет равняться сумме энергий поступательного E1 и вращательного E2 движений, то есть mc2, что и подтверждает справедливость предположения о тороидальной форме фотона.
Следовательно, фотон можно представить в виде быстровращающегося тороида с окружной скоростью равной С, центр масс которого (точка О на рис. 117) летит относительно излучателя со скоростью света - с. При этом фотон приобретает гидроскопические свойства, вектор его угловой скорости вращения перемещается параллельно самому себе, не поворачиваясь относительно инерциального пространства. Отметим, что плоскость, в которой движутся материальные компоненты фотона, как раз и является плоскостью поляризации света. Свойства поляризации света наблюдаются в природе при прохождении световых лучей в земной атмосфере, а также в оптических экспериментах (при пропускании света через прозрачные вещества, поляризующие его).
Рассмотренная модель фотона позволяет определить и физическую сущность постоянной Планка (h). Сопоставляя формулу для определений энергий mc2 = nh, где n - частота света, приходим к заключению, что постоянная Планка является кинетическим моментом фотона. Величина кинетического момента определяется массой фотона, длиной его радиуса (расстояние от центра вращения до центра масс сечения тороида) и угловой скоростью вращения тороида и не зависит от скорости относительного движения фотона. Все это дает основание принимать кинетический момент фотона за постоянную величину, соответствующую постоянной Планка.
Интересно, что же происходит с фотонами во время известных опытов с аннигиляцией элементарных частиц. Экспериментально установлено, что при аннигиляции электрона и позитрона возникает фотон, и, наоборот, при определенных условиях взаимодействия фотон распадается на электрон и позитрон. Вообще-то термин "аннигиляция" (означающий "уничтожение") применен в физике не вполне удачно. В действительности никакого уничтожения массы и энергии в этих превращениях не происходит, и закон сохранения массы - энергии выполняется совершенно строго.
Сам факт возможного разложения фотона на микрочастицы с положительными и отрицательными зарядами дает возможность более детально представить его модель в виде сложного материального образования кольцевой формы. Кольцо фотона не сплошное, а составлено из отдельных микрочастиц, заряженных поочередно положительными и отрицательными зарядами. Для наглядности такую модель можно представить в виде кругового хоровода (рис. 118), в котором мужчины Мi (условно - отрицательно заряженные микрочастицы) чередуются с женщинами Жi (положительно заряженные микрочастицы). Удерживая друг друга за руки (имитация сил притяжения положительно и отрицательно заряженных микрочастиц), участники хоровода сохраняют его целостность, несмотря на действие центробежных сил инерции, стремящихся разорвать кольцо хоровода.
В отличие от известной модели атома Резерфорда-Бора, в которой содержится ядро, а вокруг него вращаются по орбитам электроны (силы взаимодействия направлены радиально), предлагаемая здесь модель фотона не содержит ядра. Все положительные и отрицательные микрочастицы движутся по одной и той же круговой орбите, а силы взаимодействия Qi (i=1, 2, ... n) между ними направлены по хордам, соединяющим центры масс микрочастиц. Для существования такого "хоровода" необходимо, чтобы число положительно и отрицательно заряженных частиц было одинаковым. Следовательно, суммарный заряд в такой модели фотона должен быть равен нулю. Известно, что реальные фотоны электрически нейтральны. Следовательно, модель по данному признаку совпадает с реальностью.
Зная размеры фотона (длина волны) и его массу (из опыта с давлением света), можно из уравнения его динамики движения, учитывающего равенство сил взаимодействия между электрическими зарядами и силами инерции масс микрочастиц, найти общее число микрочастиц и их массу (масса фотона равна сумме масс микрочастиц). Рассматривая подобную кольцеобразную модель фотона, можно заключить, что чем меньше диаметр этого кольца, тем короче длина волны света. Однако не возникает ли здесь противоречия: ведь известно, чем меньше l и больше частота n, тем значительнее энергия фотона.
Насколько удовлетворяет этим требованиям рассматриваемая модель фотона? Подобное сомнение вполне закономерно. Чтобы разрешить его, необходимо рассмотреть динамику движения микрочастицы фотонного кольца, обозначим ее массу mi (i = 1, 2, ... N, N - число микрочастиц в фотоне). Если фотонное кольцо вращается с угловой скоростью w = c/r,r - радиус фотонного кольца, то центробежная сила инерции каждой микрочастицы F = miw2r уравновешивается силами кулоновского притяжения двух соседних микрочастиц (справа и слева от mi). P = 2Qsina, где Q = kЧq2/l2; l = ar - расстояние между центрами микрочастиц, a = 2p/N - центральный угол между соседними микрочастицами, q - электрический заряд каждой микрочастицы. Приравнивая силы F=Р, после элементарных преобразований получим величину энергии модели фотона:
E=mc2= AN2 AN2 w r c2
где А = kЧq2/p - постоянная величина.
Из приведенных формул следует, что при сохранении неизменным количества микрочастиц в фотоне N его энергия возрастает при уменьшении радиуса фотонного кольца r и, соответственно, увеличении частоты его вращения w = c/r. При этом расстояния (1) между микрочастицами уменьшаются, а силы притяжения Q возрастают. Таким образом, чтобы эти возросшие силы притяжения уравновесить центробежными силами, фотон должен вращаться с большей угловой скоростью.
Следовательно, рассматриваемая модель фотона удовлетворяет не только здравому смыслу, но и энергетическим формулам Эйнштейна и Планка. На этом, по-видимому, исчерпываются возможности более детального представления модели фотона, основанного на системном подходе и учете данных известных на сегодня физических опытов со светом. Системный подход позволяет изучить свойства любых других "элементарных" частиц до такого уровня детализации, который обусловлен количеством накопленной экспериментальной информации.
Вполне естественно возникает вопрос: как можно представить процесс излучения фотона, обладающего рассмотренной выше структурой? Далее проанализируем особенности предлагаемой модели фотона при различных ситуациях его существования. Сопоставляя размеры элементарных частиц - электрона, протона или атома - с тороидальным фотоном, замечаем, что фотон по своим размерам намного превосходит эти частицы, а его масса, наоборот, на несколько порядков меньше каждой из масс этих частиц. Это дает основание полагать, что фотон, притягиваясь к какой-либо частице охватывает ее своим кольцом-тороидом.
Можно представить себе такую модель строения элементарных частиц вещества: вокруг каждой из них вращаются кольцеобразные фотоны Фi (i = 1, 2, ... к) наподобие колец Сатурна (рис. 119). Чем короче световая волна, тем меньше диаметр di фотонного кольца и расстояние его от поверхности частицы, тем сильнее взаимодействие между ними. Если частица будет тормозиться или колебаться вследствие удара или изменения температуры тела, то при определенных условиях силы инерции массы фотона преодолеют силу его взаимодействия с частицей, вследствие чего произойдет срыв фотонного кольца с этой частицы, то есть излучение кванта света. По мере возрастания ускорений движения частицы (например, при повышении температуры тела) от нее будут отделяться фотоны все меньшего и меньшего диаметра, обладающие большими силами взаимодействия с частицей. Подобный процесс наблюдается на практике: чем выше температура тела, тем более коротковолновый спектр света им излучается. Излученный фотон движется в вакууме равномерно и прямолинейно со скоростью света относительно излучателя. Если на своем пути он не встречает другие тела, не отражается и не поглощается ими, то он летит в пространстве, будучи невидим каким-либо наблюдателем. Увидеть такой фотон можно в том случае, если он непосредственно попадает в глаз. Вследствие невидимости фотонов, свободно летящих в космическом пространстве, наблюдателю, находящемуся в космическом летательном аппарате (КЛА) на большой высоте (в стратосфере и выше), межзвездное пространство представляется абсолютно черным. Голубой цвет неба в дневное время, который видит человек в повседневной жизни, является следствием рассеяния и поглощения потоков солнечного света атомами и молекулами воздуха.