Физикам давно известно, что свет представляет собой электромагнитную волну. И данное положение по сей день ни у кого не вызывает сомнений, поскольку свет отчетливо демонстрирует все признаки волнового поведения: волны света могут накладываться друг на друга, порождая интерференционную картину, они также способны разделяться, огибая преграды при дифракции.
Корпускулярно-волновой дуализм - это свойство природы, заключающееся в том, что микроскопические объекты, такие как электроны или фотоны, могут проявлять свойства как частиц, так и волн в зависимости от условий эксперимента. Это явление не может быть объяснено классической физикой и требует квантовой механики для его интерпретации.
Когда мы видим птицу, которая ходит как утка, плавает как утка и крякает как утка, мы называем эту птицу уткой. Таким образом свет — это электромагнитная волна, исходя из объективно наблюдаемых признаков поведения такой волны у света.
Однако на рубеже 19-20 веков физикам пришлось заговорить о «корпускулярно-волновом дуализме» света. Выяснилось, что знание о том, что свет является электромагнитной волной - это еще не все, что о свете известно науке. Ученые обнаружили у света одну весьма интересную особенность.
Оказалось, что кое - в чем свет проявляет себя ПОХОЖИМ на поведение потока частиц образом. Было установлено, что энергия переносимая светом, будучи подсчитана в течение какого-то промежутка времени специальным детектором, оказывается составлена как—бы из отдельных (цельных) кусочков.
Поэтому стало справедливым утверждение, что энергия света дискретна, ведь она сложена словно из отдельных частиц - «квантов», то есть из минимальных целых порций энергии. Такую частицу света, переносящую единичную порцию (или квант) энергии, и стали называть фотоном.
Энергия одного фотона находится по следующей формуле:
E – энергия фотона, h - постоянная Планка, v – частота.
Немецкий физик Макс Планк первым экспериментально установил факт дискретности световой волны и вычислил значение константы h, фигурирующей в формуле для нахождения энергии отдельных фотонов. Это значение получилось таким: 6,626*10-34 Дж*с. Планк опубликовал результаты своих работ в конце 1900 года.
Рассмотрим, например, луч фиолетового цвета. Частота такого света (f или v) равна 7,5*1014 Гц. Постоянная Планка (h) равна 6,626*10-34 Дж*с. Значит энергия фотона, (E) характерная для фиолетового цвета, равна 5*10-19 Дж. Это настолько крохотная порция энергии, что ее очень сложно уловить.
Представьте себе горный ручей — он течет словно единое целое, и невооруженным глазом невозможно заметить, что на самом деле ручей состоит из отдельных молекул воды. Однако сегодня мы знаем, что макроскопический объект — ручей — в реальности дискретен, то есть состоит из отдельных молекул.
Это значит, что если бы мы могли поставить рядом с ручьем счетчик молекул, который бы считал молекулы воды, проходящие мимо него пока течет ручей, детектор бы всегда насчитывал только целое количество молекул воды, но никак не дробное.
Подобным образом и график суммарной энергии фотонов Е, подсчитываемой с течением времени t — всегда получится не линейным (желтый рисунок), а ступенчатым (зеленый рисунок):
Итак, фотоны движутся, они переносят энергию, следовательно обладают импульсом. Но у фотона нет массы. Как же в этом случае найти импульс?
На самом деле, для объектов движущихся со скоростью близкой к скорости света, классическая формула p=mv попросту неприменима. Чтобы понять, как найти импульс в этом необычном случае, давайте обратимся к специальной теории относительности:
В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил с этой точки зрения явление фотоэффекта. Мы знаем, что металлическая пластина имеет в себе электроны, которые внутри нее притягиваются положительно заряженными ядрами атомов, и поэтому удерживаются в металле. Но если осветить такую пластину светом ОПРЕДЕЛЕННОЙ частоты, то можно выбить из пластины электроны.
Это похоже на то, как если бы свет вел себя подобно потоку частиц, обладающих импульсом. И хотя у фотона нет массы, тем не менее он как-то взаимодействует с электроном в металле, и при определенных условиях один фотон способен выбить один электрон.
Итак, если падающий на пластину фотон обладает достаточной энергией, то электрон будет выбит из металла и станет двигаться за пределами пластины со скоростью v. Такой выбитый электрон называют фотоэлектроном.
Поскольку выбитый электрон обладает известной массой m, он будет обладать определенной кинетической энергией mv.
Энергия фотона, когда он подействовал на металл, преобразовалась в энергию выхода электрона из металла (работа выхода) и в кинетическую энергию электрона, обладая которой выбитый электрон стал двигаться за пределами металла, покинув его.
Предположим, фотон с известной длиной волны попадает на поверхность металла, работа выхода (электрона из металла) для которого известна. В этом случае можно легко найти кинетическую энергию вылетающего из данного металла электрона, а также его скорость.
Если же энергии фотона будет не достаточно для совершения электроном работы выхода, то электрон попросту не сможет покинуть поверхность данного металла, фотоэлектрон не образуется.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул прорывную идею, согласно которой не только фотоны света, но и сами электроны могут вести себя как волны. Ученый даже вывел формулу для гипотетической длины волны электрона. Впоследствии эти волны стали называть «волнами де Бройля».
Гипотеза де Бройля позже подтвердилась. Физический эксперимент по дифракции электронов, проведенный в 1927 году американскими учёными Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, окончательно указал на волновую природу электрона.
Когда пучок электронов направили через специальную атомарную структуру, детектор, казалось бы, должен был бы зафиксировать картину как от летящих друг за другом частиц, чего следовало бы логически ожидать в случае если бы электроны оказались частицами.
Но практически получилась картина, свойственная именно дифракции волн. Причем длины этих волн полностью соответствовали концепции предложенной де Бройлем.
В конечном счете идея де Бройля позволила объяснить принцип атомной модели Бора, а позже — дала возможность Эрвину Шредингеру обобщить эти идеи и заложить фундамент современной квантовой физики.
В 1926 году Шредингер опубликовал свое знаменитое уравнение, описывающее эволюцию волновой функции частицы во времени и пространстве. Волновая функция содержит всю информацию о состоянии частицы, но ее физический смысл был предметом долгих споров.
Один из вариантов интерпретации, предложенный Максом Борном, заключается в том, что квадрат модуля волновой функции определяет вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства.
Уравнение Шредингера позволило решить многие задачи квантовой механики, такие как атом водорода, молекулярные связи, туннельный эффект и другие. Однако оно также породило новые парадоксы и проблемы, связанные с измерением, неопределенностью, запутанностью и реальностью квантового мира.
Корпускулярно-волновой дуализм стал одним из ключевых элементов квантовой теории, которая до сих пор вызывает удивление и восхищение у физиков и философов.
Андрей Повный