Про эту вашу физику - Дмитрий Владимирович Ганин

Начнем мы срыв покрывал издалека. Вернемся, так сказать, к свету. В предыдущих лекциях мы выяснили, что свет — это электромагнитное поле, квант которого называют фотоном. Вспомним, как человечество докатилось до такого заумного понимания этого очевидного явления. Как свет нашего Отца-Солнца («Мать-Род-Макошь») вдруг стал набором интегралов с названиями чужеземных ученых?

Все началось как всегда с Ньютона. Тот, как известно, не только ловил головой падающие яблоки, но и любил проводить опыты со светом. Солнечным, разумеется, а не электрическим. Он раздобыл кучу всяких призм, линз, стеклышек и пропускал через них лучи, приходя к интересным результатам. Ньютон обнаружил, что белый свет состоит из семи цветов, что разные цвета преломляются по-разному, и даже догадался, что луч сам по себе не окрашен, а это наши глаза воспринимают цвета по каким-то неизвестным причинам. Умный дядька, что тут скажешь, хотя искал в Библии секретный код алхимии.

Но, самое главное для нашего рассказа, дядюшка Исаак, сделал вывод о том, что свет — это летящие через пространство частицы. Сразу стало понятно, почему лучи прямые, почему они отражаются от зеркал, почему появляется тень и так далее.

Тогда же, в середине 17 века жил еще один мечтатель по имени Гюйгенс. Он решил покритиковать идеи Ньютона и заявил, что есть основания полагать, что свет на самом деле волна. Ну как бы, если свет представляет собой поток частиц, то тогда с какого перепугу, лучи разных цветов преломляются в призмах под разными углами? А что если тут торчат уши волновых эффектов? Ну и так далее. Увы, Ньютон был авторитетнее. К тому же Гюйгенс рассказывал всем, что на других планетах может быть жизнь. Над ним посмеивались и крутили пальцем у виска. Вопрос о волновой природе света завис, а свет двести лет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед (ха-ха! гуманитарий!) по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами — в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь проткнул две дырки в картоне и направил луч света на этот картон, а позади поставил еще одну пластину-экран. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.

Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Это повсеместное явление называется интерференцией — наложение двух (и более волн) друг на друга: там, где гребни волн совпадают, амплитуда, то есть высота гребня волны, увеличивается. Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет — это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время того так закритиковали, что он даже отказался от своих идей волновой теории — да, наука не для слабаков. Но потихоньку научный мир приходил к тем же самым выводам, и в итоге ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего именно? — странный вопрос, ответ на который лучше бы никто никогда не узнавал.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые поохали, поудивлялись, переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.

Но вы уже догадались, что, как всегда, всё испортил Эйнштейн.

Беда подкралась с другой стороны — сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли кванты (об этом мы уже рассказывали в лекции «Что такое кванты»). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по классической физике, объяснив явление фотоэффекта.

Напомним: фотоэффект (одним из следствий которого является получение фотографий на пленке) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя — фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон зачем-то обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии («стреляем» синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись снова отказываться от волновой природы света — сколько можно менять мнение, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей дилеммой: так все-таки свет — это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота — и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет — просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный — маленькая частота, фиолетовый — большая частота.

Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома — как такая «штука» влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Хотя, если фотон — это частица, сопоставимая по размерам с атомом, то вопросов нет. И что получается: фотон одновременно и большой и маленький?

Фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет — все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам. Если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет — это одновременно и волна, и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи. Все наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени от реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень от цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны — прямоугольную фигуру. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет — это волна, то объяснить отражение в окне просто — подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет — это поток