Концепция фотона

В 1905 г. Альберт Эйнштейн для объяснения явления фотоэффекта вновь вернулся к гипотезе Ньютона. Он показал, что всю совокупность экспериментальных данных по фотоэффекту можно объяснить, если считать, что свет состоит из отдельных частиц – квантов, которые Эйнштейн назвал фотонами. Энергия фотона Е однозначно связана с частотой излучения w: , где – постоянная Планка, равная 1,05 · 10^-34 Дж · с. Последующие эксперименты по рассеянию света
(в рентгеновском диапазоне) на электронах (эффект Комптона) показали, что фотонам можно приписать не только энергию, но и импульс. Таким образом, оказалось, что квант света – фотон ведет себя при взаимодействии с веществом, как и любая другая частица: для него выполняются законы сохранения энергии и импульса. Единственное отличие состоит в том, что масса фотона всегда равна нулю, а его скорость в вакууме всегда постоянна и равна 300 000 км/с – величине, которую принято называть скоростью света.

В настоящее время существуют очень чувствительные приборы – фотоумножители, которые могут регистрировать единичный фотон. Можно сделать так, что когда фотон попадает в фотоумножитель, мы будем слышать щелчок. Волновая теория предсказывает, что по мере того, как свет становится более слабым, щелчки фотоумножителя будут становиться все тише и тише. В действительности же фотоумножители продолжают издавать полновесные щелчки, только они раздаются все реже. То есть свет ведет себя так, как будто состоит из отдельных частиц.

Теперь мы вернемся к вопросу о том, можно ли объяснить интерференцию и дифракцию, если считать, что свет состоит из отдельных частиц. На первый взгляд мы сталкиваемся здесь с непреодолимыми трудностями. Например, мы знаем, что стекло отражает примерно 4 % падающего на него света. Это значит, что из 100 фотонов, ударившихся о стекло, четыре фотона полетят назад. Но каков механизм этого процесса? Ведь фотоны все одинаковы. Почему один отражается, а другой, точно такой же, проходит через стекло? Можно, конечно, предположить, что на самом деле фотоны неодинаковы, а характеризуются некоторыми параметрами, которых мы не знаем. В физике такие параметры называются скрытыми переменными. Если у фотона «правильные» параметры, то он проходит через стекло, если «неправильные», то отражается. Эта гипотеза, однако, легко опровергается экспериментально. Если на пути света поставить несколько стеклянных пластинок, то и от последней пластинки отразится тоже 4 % падающего на нее света.

Давайте придумаем еще какое-нибудь простое объяснение. Может быть, стекло состоит из каких-нибудь непрозрачных для света пятен, которые как раз и занимают 4 % поверхности стекла. Эту гипотезу предложил еще Ньютон, но быстро от нее отказался. Ньютон умел великолепно шлифовать стекла, и он знал, что хорошо отполированное стекло более прозрачно. Процесс полировки состоит в том, что вы шлифуете стекло все более мелкими порошками. При шлифовке такие порошки оставляют на стекле все более мелкие царапины, удаляя большие царапины и неровности. Чем неровности меньше, т. е. чем лучше стекло отшлифовано, тем лучше оно пропускает свет. Поэтому вряд ли причиной отражения могут быть какие-то неоднородности стекла, которые гораздо меньше неоднородностей хорошо отполированного стекла.

Вот, что пишет об этом выдающийся американский физик Ричард Фейнман1: «Если частичное отражение от одной поверхности – это непостижимая загадка и трудная проблема, то частичное отражение от двух или более поверхностей совершенно ошеломляет. Поставим эксперимент, в котором мы будем измерять частичное отражение света от двух поверхностей. Заменим кусок стекла очень тонкой стеклянной пластинкой со строго параллельными поверхностями и поместим фотоумножители под пластинкой на пути света от источника (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Отражение света от плоскопараллельной пластинки: А и В –
детекторы

На этот раз фотоны могут отразиться от передней или задней поверхности и попасть в А; все остальные попадут в В. Мы могли бы ожидать, что передняя поверхность отразит 4 % света, а задняя – 4 % из оставшихся 96 %, т. е. в целом отразится примерно 8 %. Так что мы должны обнаружить, что из каждых 100 фотонов, испускаемых источником, примерно 8 попадут в детектор А.

В действительности в этих тщательно контролируемых лабораторных условиях очень редко 8 из 100 фотонов попадают в детектор А.
С некоторыми пластинками мы постоянно получаем 15 или 16 фотонов – вдвое больше ожидаемого результата! Другие пластинки всегда дают один или два фотона, третьи – 10, а от некоторых свет вообще не отражается!

Чем объясняются эти ненормальные результаты? Проверив качество и однородность пластинок, мы обнаруживаем, что они лишь слегка различаются толщиной.

В случае самой тонкой пластинки мы получим, что число фотонов, приходящих в А, почти всегда равно нулю, а иногда равно 1. Заменив тончайшую пластинку чуть более толстой, получаем, что количество отраженного света стало больше – ближе к ожидаемым 8 %. Еще несколько замен, и количество фотонов, попадающих в А, начинает превышать 8 %. По мере постепенного утолщения пластинок количество света, отраженного двумя поверхностями, достигает максимума – 16 % (это происходит при толщине в 5 миллионных дюйма), а затем снова понижается до 8 % и далее до нуля. При какой-то определенной толщине пластинки отражения вообще нет.

Если дальше продолжать утолщать стекло, частичное отражение будет увеличиваться до 16 % и возвращаться к нулю – этот цикл повторяется снова и снова.

Таким образом, получается, что предсказанные нами 8 % верны лишь в среднем (тогда как в действительности величина регулярно меняется от нуля до 16 %). Это среднее значение верно только дважды в цикле – так стоящие часы показывают правильное время два раза в сутки. Чем можно объяснить эту странную зависимость частичного отражения от толщины стекла? Как может передняя поверхность отражать 4 % света, если, поместив снизу на нужном расстоянии вторую поверхность, мы можем каким-то образом «выключить» отражение?
А поместив эту вторую поверхность на несколько иной глубине, мы можем «усилить» отражение до 16 %! Может ли быть, что задняя поверхность оказывает какое-то влияние или действие на способность передней поверхности отражать свет?»