Корпускулярно-волновой дуализм
Свет всегда оставался самой загадочной областью изучения физики. Около четырехсот лет ученые спорили, что же он собой представляет. В одних случаях он ведет себя как частица, в других — как волна. Необходим был новый подход, чтобы как-то объяснить создавшееся положение.
Первым, кто предположил, что свет — это частица, был гениальный английский ученый Исаак Ньютон. Он создал стройную для своего времени теорию света на корпускулах. Вместе с тем оставались загадочные на тот момент явления, такие как дифракция и интерференция, которые явно не в вписывались в корпускулярную теорию. Тогда англичанин Роберт Гук и нидерландский ученый Христиан Гюйгенс предположили, что свет — это все-таки волна. Но авторитет Ньютона был настолько силен, что весь научный мир продолжал считать свет частицами.
Опыт Юнга
Споры продолжались до начала XIX века, когда Томас Юнг поставил свой знаменитый опыт: свет проходит через две щели и падает на экран, где появляются темные и светлые интерференционные полосы. Это можно объяснить тем, что в некоторых местах световые волны взаимно усиливаются, а в других — гасятся. Напрашивался однозначный вывод: свет—это все-таки электромагнитная волна! Волновая теория электромагнитного излучения нашла свое теоретическое описание в работах Джеймса Максвелла. Использование представления о свете как волне позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля, а именно объяснить построение изображений и метод голографии.
Прошло еще почти сто лет, и Макс Планк, чтобы решить проблему ультрафиолетовой катастрофы, ввел понятие фотона. Научный мир снова обратился к проблеме света, и вот тут опять возник вопрос. Что же он такое: частица или все же волна? И как все это описать? Свет в одних случаях ведет себя как поток частиц, в других — обладает волновыми свойствами. То есть обладает корпускулярно-волновым дуализмом.
Корпускулярно-волновой дуализм — свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы или корпускулы и волны.
Частицы как волны
Свет — это волна. Но свет также считали состоящим из частиц, или «корпускулов». Не так давно материя, точнее, атомы, была сведена к набору более мелких частиц. Но оставался вопрос: не могут ли и они вести себя как волны?
Именно об этом размышлял Луи Де Бройль в 1923 году. Он предполагал, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для видимого света, но также для других форм излучаемой энергии. Например, это явление можно было попытаться применить к имеющим массу частицам – электрону или протону.
Де Бройль стал рассматривать каждую частицу как некий цуг волн, впоследствии названный «волновым пакетом». Конечно, такие волновые формы не распространяются, как видимый свет, но имеют с ним много общего. Так, скорость частицы оказалась обратно пропорциональна длине волны ее волновой формы — более быстрые частицы имеют более короткую длину волны. Кинетическая энергия частицы получалась пропорциональной частоте ее волновой формы.
Для доказательства Де Бройль использовал чистую математику. В 1927 году Джордж Томсон — сын «Джи Джи» (дружеское прозвище Джозефа Джона Томсона), открывшего за 28 лет до этого существование электрона — сумел найти материальные свидетельства правоты Луи де Бройля. Томсон повторил опыт Юнга, который доказывал волновую природу света, но работал с пучком электронов. Он направил поток электронов на экран с двумя щелями, а детектор расположил за ним. Прибор отмечал каждый пролетающий электрон черной точкой. Если бы электроны не имели волновых свойств, они дали бы на экране две группы точек за каждой из щелей. Но Томсон обнаружил, что точки образовали те самые темные полоски интерференционной картины – как и волны. Так Томсон выяснил, что его отец открыл не только субатомную частицу, но и волну.
Эффект Штарка
В 1913 году Йоханнес Штарк обнаружил, что внешние электрические поля вызывают «расщепление» линий эмиссионного спектра, когда на месте одной линии возникает их несколько. Это связано с тем, что электромагнитные поля способны изменять волновые формы электронов поля. Эффект, или расщепление, Штарка стали использовать для исследования свойств электронов.
Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как локализованные в пространстве материальные объекты—частицы, обладающие определенными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции.
И ни то, и ни другое
Явления интерференции и дифракции света убедительно свидетельствуют о волновой природе света. Закономерности теплового излучения, фотоэффекта можно успешно объяснить с классической точки зрения только на основе представлений о свете как о потоке отдельных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами.
Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом.
Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и противопоставлять материальный объект, например электромагнитное излучение, и способ его описания — корпускулярный или волновой; и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух—корпускулярный, волновой, термодинамический и так далее, так что сам термин «дуализм» становится по сути неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом описания поведения квантовых объектов путем подбора аналогий из классической физики. На самом же деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении.
И тем не менее именно споры о теории света и привели в конце концов к созданию квантовой физики, о которой и пойдет речь дальше.
«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой. Только наше повседневное восприятие различает их» (Элефтериос Гулильмакис)