Корпускулярно-волновой дуализм

Важной вехой в развитии представлений о природе света стали работы Ньютона, который был прекрасным оптиком. Кстати, он был принят в Королевское общество (аналог нашей Академии наук; точнее, Академия наук — аналог Королевского общества, поскольку на 64 года моложе) отнюдь не за создание механики, а за создание миниатюрного (15 см в длину), но мощного зеркального телескопа.

В механической картине мира все сводится к механическому перемещению тел. Соответственно, Ньютон считал, что свет представляет собой поток корпускул, движущихся с огромной скоростью — отсюда прямолинейность световых лучей. Больших успехов на этом пути достигнуть не удалось, но авторитет механики был настолько велик, что корпускулярные представления о природе света преобладали вплоть до XIX века.

Постепенно накапливались экспериментальные факты, которые невозможно было уложить в рамки корпускулярной теории. Были открыты явления интерференции (при котором два световых пучка могут не только усиливать, но и гасить друг друга) и дифракции (оги­ба­ние светом препятствий). В начале XIX века французский физик О. Френель представил математическую теорию оптических явлений, основанную на представлениях современника Ньютона, Х. Гюй­генса, о том, что свет представляет собой волну, то есть распространяющиеся колебания.

Первую проверку волновая теория Френеля выдержала, когда он докладывал ее на заседании Парижской академии наук. Один из академиков («бес­смерт­ных» — так они называли себя), Пуассон, быстро поняв суть теории, заявил, что она должна быть отвергнута, поскольку приводит к абсурдным заключениям. Он продемонстрировал выкладки, из которых следовало, что если теория верна, то в самом центре тени от круглого препятствия должно наблюдаться светлое пятно. Однако другой академик, Араго, будучи экспериментатором, решил все-таки проверить этот вывод. Придя с заседания, он тут же поставил несложный опыт и с изумлением обнаружил, что в центре тени действительно есть неяркое светлое пятно! По иронии судьбы, оно стало известно как «пят­но Пуассона», а представления о волновой природе света одержали полную победу. В 70-х годах XIX века Максвелл и Герц выяснили, что же именно колеблется в световой волне: электрическое и магнитное поля. Свет оказался электромагнитной волной.

Однако в 1887 году А. Г. Столетов открыл явление, которое никак не вписывалось уже в волновую теорию: внешний фотоэффект, то есть выбивание светом электронов из металла. Он установил, что ни энергия вылетающих частиц, ни сама возможность вылета не зависят от интенсивности света, а только от его длины волны. Самый слабый синий свет вызывает фотоэффект, а мощным красным пучком можно металл хоть расплавить, но фотоэффект так и не появится! По той же причине фотобумага не засвечивается красной лампой.

С точки зрения волновой теории, причина фотоэффекта заключается в том, что колебания электрического поля в световой волне заставляют колебаться электроны в металле. Чем больше интенсивность света, тем сильнее колебания электрического поля в световой волне, тем больше амплитуда вызываемых ею колебаний электронов и тем легче должно быть им вырваться из металла. Однако эксперимент упрямо говорил, что важна не интенсивность, а длина волны света.

Почти двадцать лет законы фотоэффекта ставили физиков в тупик, пока в 1905 г. Эйнштейн не показал, что они получают элементарное объяснение, если предположить, что свет представляет собой совокупность частиц (фотонов), энергия которых обратно пропорциональна длине волны света. Энергия «крас­ного» (длин­новолнового) фотона слишком мала, чтобы выбить электрон, а энергии «си­не­го» (коротковолнового) хватает с запасом. Интенсивность же светового луча определяется числом фотонов в нем и не влияет на способность каждого отдельного фотона вызывать фотоэффект. Именно за эту работу, а не за теорию относительности, Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Другой нобелевский лауреат, Макс Планк, выяснил, что без представлений о световых квантах, фотонах, невозможно объяснить законы теплового излучения (п. 4.6.1)

Так что же такое свет на самом деле: волна или поток корпускул? Прежде, чем ответить, полезно рассказать следующую притчу.

Жил некогда просвещенный властитель, покровитель наук. И собрал он при своем дворе семь знаменитейших мудрецов своего времени, но все они были слепые. И прослышали как-то мудрецы о странном животном по имени «слон», и попросили владыку доставить им один экземпляр для исследования. Желание мудрецов было исполнено, и начали они ощупывать слона. Одному попался в руки хобот, другому хвост, третьему бивень, четвертому нога, пятому ухо… Затем мудрецы устроили симпозиум, на котором каждый выступил с докладом «О свойствах слона». Первый докладчик сказал: слон — длинный, мягкий и пустой внутри. Второй уточнил: слон действительно длинный и гибкий, но не пустой, а внутри у него твердые косточки. Третий высмеял первых двух, объявив, что слон твердый и острый. Четвертый сравнил слона со столбом, пятый — с простыней…

Кто же из мудрецов был прав? Ясно, что полностью — никто, но каждый прав по-свое­му. Слон действительно в разных местах имеет свойства и шланга, и веревки, и столба — все зависит от того, с какой стороны к нему подойти.

Аналогичным образом, материальный объект, называемый «свет», есть образование сложное, не укладывающееся полностью ни в одну из простых моделей (п. 1.7.3): «кор­пус­ку­ла» или «волна». Свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, но проявляет либо те, либо другие в зависимости от ситуации.

Такой же двойственностью, корпускулярно-волновым дуализмом, обладает, как выяснилось, не только свет. Спустя два года после объяснения фотоэффекта Эйнштейн показал, что некоторые непонятные свойства теплоемкости твердых тел при низких температурах легко объяснить, предположив, что колебания атомов можно рассматривать не только как звуковые волны, но и как коллектив частиц — фононов. С другой стороны, в 1927 году было экспериментально установлено наличие волновых свойств у такой классической частицы, как электрон. В настоящее время нет сомнений в том, что волновые свойства присущи любой элементарной частице и вообще любому телу.

Корпускулярно-волновой дуализм — это всеобщее свойство материальных объектов, заключающееся в том, что поведение одного и того же объекта в разных ситуациях или в разных отношениях может описываться как моделью волны, так и моделью частицы или совокупности частиц.