Фотоэлектрический эффект
Падая на медную пластину, ультрафиолетовый свет порождает электрический ток. Этот «фотоэлектрический» эффект оставался загадкой до тех пор, пока вдохновленный Максом Планком Альберт Эйнштейн не додумался до идеи частицы света, или фотона. Эйнштейн показал, каким образом свет может вести себя и как поток шариков, и как непрерывная волна.
На заре XX века физика обзавелась новыми воззрениями. Уже в XIX веке было хорошо известно, что ультрафиолетовый свет возбуждает электроны металла, заставляя их создавать ток, и понимание этого явления привело физиков к изобретению совершенно нового языка.
Голубые батареи
Фотоэлектрический эффект генерирует электрический ток в металле, если на металл падает голубой или ультрафиолетовый свет, — но не красный. Даже очень яркий луч красного света тока не создает. Заряды начинают движение, лишь когда частота света превышает некоторый порог, свой для каждого металла. Наличие порога указывает, что для смещения зарядов необходимо определенное количество энергии. Возбуждающая заряды энергия должна поставляться светом, однако под конец XIX века механизм происходящего все еще оставался непонятным. Электромагнитные волны и движущиеся заряды считались совершенно разными физическими явлениями, и то, как они связаны, представлялось крайне загадочным.
«У каждого вопроса есть две стороны» Протагор, 485-421 до н. э.
Фотоны
В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул радикальную идею, которая позволила объяснить фотоэлектрический эффект. Именно за эту работу, а не за создание теории относительности его удостоили в 1921-м Нобелевской премии. Вдохновленный квантами, которые ввел Макс Планк для описания энергетического бюджета «горячих» атомов, Эйнштейн позаимствовал планковское математическое определение кванта, пропорциональность энергии частоте, их связь посредством постоянной Планка, однако применил все это не к атому, но к свету. Впоследствии световые кванты Эйнштейна были названы «фотонами». Фотоны не обладают массой и движутся со скоростью света.
Вместо того чтобы рассматривать металл, непрерывно омываемый волнами света, Эйнштейн предположил, что отдельные фотоны ударяют, как пули, в электроны металла и приводят их в движение, что и порождает фотоэлектрический эффект. Поскольку каждый фотон несет некоторую энергию, пропорциональную его частоте, постольку и энергия получившего удар электрона также пропорциональна частоте света. Фотон красного света (имеющий низкую частоту) не обладает энергией, достаточной для того, чтобы сорвать электрон с занимаемого им места, зато фотон голубого цвета (более высокая частота) имеет большую энергию и потому способен привести электрон в движение. Увеличение яркости света ничего не даст. Это все равно, что обстреливать шариками настольного тенниса тяжелый автомобиль. Эйнштейновская идея кванта света поначалу оставалась непопулярной, поскольку противоречила его волновому описанию, суммированному в уравнениях Максвелла, к которым большинство физиков относилось с великим почтением. Однако все изменилось, когда истинность безумной идеи Эйнштейна была доказана экспериментально. Опыты подтвердили пропорциональность энергии высвобождаемых электронов частоте падающего света.
Альберт Эйнштейн, 1879-1955
Год 1905-й был годом чудес для родившегося в Германии физика, который работал на половинном жалованье чиновником швейцарского патентного бюро. Альберт Эйнштейн опубликовал в немецком журнале Annalen der Physik три статьи. Одна содержала объяснение броуновского движения, другая — фотоэлектрического эффекта, третья описывала специальную теорию относительности, и каждая была принципиально новой. Репутация Эйнштейна росла, а опубликованная им в 1915 году общая теория относительности подтвердила, что он — один из величайших физиков всех времен. Четыре года спустя наблюдения, произведенные во время солнечного затмения, подтвердили истинность общей теории относительности и Эйнштейн обрел мировую славу. В 1921-м он получил Нобелевскую премию за посвященную фотоэлектрическому эффекту работу, которая оказала большое влияние на развитие квантовой физики.
Корпускулярно-волновой дуализм
Предположение Эйнштейна было не только спорным, оно приводило к весьма неудобной мысли о том, что свет является и волной, и частицей сразу. Ко времени, когда Максвелл записал свои уравнения, свет неизменно вел себя как волна — огибал препятствия, рассеивался, отражался и интерферировал. Эйнштейн же возмутил спокойствие физиков, показав, что свет является также и потоком фотонных торпед.
Физики и поныне пытаются бороться с этой двойственностью. Но сейчас нам уже известно, что свет, похоже, сам знает, какое поведение ему следует избирать в различных обстоятельствах — корпускулярное или волновое. Если вы ставите опыт по измерению волновых свойств света, например, пропускаете его сквозь дифракционную решетку, он ведет себя как волна. Если же вы вместо этого пытаетесь измерить его корпускулярные свойства, он подобным же образом идет вам навстречу.
«Квантовая энергия проникает под поверхностный слой физического тела и, по крайней мере частично, преобразуется в кинетическую энергию электронов. В простейшем случае квант света передает единичному электрону всю свою энергию» Альберт Эйнштейн, 1905
Физики пытались придумать хитроумные эксперименты, которые поймают свет врасплох, заставят его обнаружить свою истинную природу, однако до сей поры ничего у них не вышло. Многие из этих экспериментов были вариантами опыта Юнга с двумя прорезями, однако в них использовались компоненты, которые можно было включать и выключать. Представьте себе источник света, лучи которого проходят через две узкие прорези и падают на экран. Когда обе прорези открыты, вы видите привычные темные и светлые полосы интерференционного рисунка. То есть свет, что нам давно известно, ведет себя как волна. Давайте, однако, будем уменьшать силу света до того, что на каком-то уровне он обратится просто в отдельные фотоны, проходящие через щели один за другим, — а детектор будет фиксировать их, когда они достигают экрана. Так вот, даже в этом случае фотоны будут по-прежнему создавать на экране полосатый интерференционный рисунок.
Но откуда же отдельный фотон знает, через какую прорезь ему проходить, чтобы создавать интерференционный рисунок? Если вы достаточно быстры, то можете перекрыть одну из прорезей после того, как фотон покинет источник света, — и даже после того, как он пройдет через прорези, но еще не успеет добраться до экрана. Так вот, во всех случаях, которые физикам удалось проверить, фотоны знали, проходя через прорези, сколько их открыто — одна или две. И даже когда полет совершали единичные фотоны, выглядело все так, точно каждый из них проходит одновременно через обе прорези.
Поместите детектор в одну из прорезей (чтобы знать, прошел фотон через нее или через соседнюю прорезь), и, как это ни странно, интерференционный рисунок исчезнет — фотоны будут падать на экран, не создавая полосок. То есть получается, что как фотоны ни подлавливай, они знают, как им себя вести. И ведут — как частицы и волны одновременно, но никогда как либо одно, либо другое.
Волны материи
В 1924 году Луи-Виктор де Бройль выдвинул предположение обратного характера: частицы материи также могут вести себя как волны. По его мысли, каждое физическое тело обладает соответствующей ему длиной волны, то есть дуализм частица-волна становится универсальным. Три года спустя идея материи-волны была подтверждена — удалось пронаблюдать дифракцию и интерференцию электронов. К настоящему времени уже проведены наблюдения волнового поведения частиц более крупных — нейтронов, протонов, а недавно и молекул, и микроскопических «футбольных мячей» из молекул углерода, или «бакиболов». Объекты более крупные, к примеру шарики подшипников, обладают совсем уже маленькими длинами волн, увидеть такие волны невозможно, а потому и наблюдать волновое поведение этих объектов не удается. Летящий над кортом теннисный мяч обладает длиной волны в 10-34 метров, намного меньшей диаметра протонов (10-15 м).
Теперь, когда мы увидели, что свет есть также и поток частиц, а электроны порой оказываются волнами, фотоэлектрический эффект проделал полный круг.