Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 13 КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

13.9. Двойственная корпускулярно-волновая природа света

Какова же природа света на самом деле? Есть оно электромагнитными волнами, которые излучаются источником света, источник света излучает поток фотонов, летящих в пространстве со скоростью света в вакууме? На первый взгляд кажется, что две точки зрения на природу света - волновая и квантовая - взаимно исключают друг друга. Некоторые признаки волны и частиц действительно противоположные. Так, движущиеся частицы находятся в определенных точках пространства, тогда как нет смысла говорить о местонахождение в определенной точке пространства волны, которая распространяется. Необходимость приписывать свету взаимоисключающие свойства - волновые и корпускулярные - может произвести впечатление несовершенства наших представлений о природе света, а двойственность природы света кажется искусственной. Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений доказали, что свет имеет сложную двойственную корпускулярно-волновую природу: обладает одновременно и волновыми, и корпускулярные свойства. Свету присущи и волновые свойства непрерывных электромагнитных волн и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое отражение в формулах (13.10), (13.14) и (13.15), определяющих основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона - энергия ε, импульс р и масса m - связанные с волновой характеристикой света - его частотой ν (или длиной волны λ).

В проявлении противоречивых свойств света наблюдается важная закономерность. В длинноволнового излучения (например, инфракрасного света) квантовые свойства проявляются меньше, тогда как волновые свойства проявляются четче. Если же «передвигаться» вдоль шкалы электромагнитных волн от длинных волн в сторону более коротких, то постепенно волновые свойства света будут проявляться меньше, уступая местом корпускулярным, которые становятся более четкими. Это видно, например, из анализа излучение абсолютно черного тела в зависимости от длины волны, объяснения красной границы фотоэффекта и др.

Как было показано в этом разделе, излучение абсолютно черного тела в случае больших длин волн можно объяснить, исходя из классических представлений о непрерывности процесса излучения, тогда как в случае малых длин волн нужен качественно новый подход к пониманию природы излучения. Наличие «красной границы» фотоэффекта противоречит классическим представлениям, ее можно понять только с точки зрения корпускулярных представлений о природе света. Квадрат амплитуды световой волны в любой точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку. При этом волновые и корпускулярные свойства взаимно дополняют друг друга. Они проявляют настоящие закономерности распространения света и его взаимодействие с веществом. Корпускулярные свойства света обусловлены тем, что энергия, импульс и масса излучения сосредоточены в частицах - фотонах. Вероятность нахождения фотонов в определенных точках пространства определяется волновыми свойствами света - амплитудой световой волны.

Следовательно, волновые свойства присущи не только совокупности большого количества фотонов, одновременно излучаются. Каждый отдельный фотон имеет волновые свойства, которые проявляются в том, что для фотона нельзя точно определить, в какую именно точку экрана он попадет после прохождения щели. Можно говорить лишь о вероятности попадания каждого фотона в ту или иную точку экрана.

Таким образом, анализ излучения абсолютно черного тела, явления фотоэффекта, опыта Иоффе - Добронравова, эффекта Комптона, опытов Вавилова неуклонно свидетельствует о корпускулярную природу света, про физическую реальность фотона. Правда, корпускулы света Эйнштейна - фотоны - существенно отличаются от корпускул света в понимании древних ученых и даже И. Ньютона. Однако с корпускулярной точки зрения нельзя объяснить такие свойства света, как интерференция, дифракция, поляризация. Под светом следует понимать поток электромагнитных волн и одновременно корпускул (фотонов). Кроме того, фотон является корпускулою особого рода. Основная характеристика его дискретности - свойственная ему порция энергии - определяется через волновую характеристику - частоту ν (ε = hν).Так в физику впервые вошла совсем необычная идея определенного внутренней связи дискретного и непрерывного, корпускулы и волны, идея, которую стали называть корпускулярно-волновым дуализмом.

Корпускулярно-волновой дуализм, раскрыт современной физикой, является ярким выражением диалектического противоречия единства перервного и непрерывного в строении материи. Эта объективная противоречие раскрывается в процессе нашего познания действительности. Категории перервного и непрерывного, детализированы в процессе развития физики с помощью понятий частицы и волны, кванта и соответствующих им полей, полей и соответствующих им квантов и т. д, отражают лишь частично неисчерпаемую объективную реальность. Единство этих противоположностей, сложившихся в процессе познания действительности и постоянного углублению этого познания, выражает неисчерпаемость, сложность, противоречивость реального мира.