Освещение искусственное и естественное, светотехника. Двойственная природа волн и частиц
Теперь-то уж мы зашли в тупик, представляющий собой подлинную дилемму современной физики. Для объяснения оптической интерференции и дифракционных эффектов мы вынуждены принимать волновую теорию света. Но вместе с тем для объяснения фотоэффекта и других результатов новейших исследований мы не можем обойтись без идеи об отдельных частицах — фотонах.
Как можно разрешить это противоречие? Фактически оно еще не разрешено полностью, и физическая теория в целом еще довольно неубедительна. Однако оптика оказалась в хорошей компании, ибо та же дилемма существует и в физике элементарных частиц, и в физике волновых явлений.
Чтобы ограничиться всего одним примером, рассмотрим некоторые свойства электрона. Электроны можно обнаружить при помощи электрических и магнитных полей. Они могут рассматриваться как любые отдельные образования, и когда они движутся медленно, то имеют вполне определенную массу (хотя массы и скорости электронов определяются электрическими и магнитными полями, через которые они проходят) . Действительно, они обладают всеми предсказуемыми свойствами заряженных частиц, которые имеют определенные заряд, массу и скорость. Известно также, что они вращаются подобно волчкам. В течение первого тридцатилетия после их открытия ни у кого не возникало сомнений в том, что электроны — настоящие частицы. Никто и не рассматривал их как-либо иначе. Затем в 1927 г. появилась неувязка. Томсон открыл, что в определенных экспериментах электроны вели себя так, как будто бы они были волнами. Они испытывали отражение, они дифрагировали, они даже создавали интерференцию. Они обнаруживали вполне измеримые длины волн, которые зависели от скорости, и, что еще более странно, здесь внезапно появилась постоянная излучения Планка. Длина волны, которую эти электроны, по-видимому, несли с собой, была равна постоянной Планка, деленной на произведение массы и скорости электрона. Тем не менее, когда электроны становились объектом других экспериментов, они вели себя в точности так, как если бы они были частицами. Но они никогда не вели себя и как волны, и как частицы одновременно. Это в точности то же самое, что происходит со световым излучением. В некоторых экспериментах свет ведет себя как волны, в других же — как частицы (фотоны) .
Чтобы выйти из этого тупика, Бор выдвинул принцип дополнительности. В природе нет^ сказал он, ни чистых волн, ни чистых частиц, а существует дуализм. Существуют то ли волны-частицы, то ли частицы-вол^ ны, и какой из аспектов этого дуализма мы наблюдаем в данный момент времени, зависит от характера проводимого эксперимента.
масса воображаемого «замедленного» фотона
В таком случае вполне уместно спросить: если световое излучение — это волна или частица и если электрон — тоже частица или волна, может быть, это одно и то же? В действительности между ними есть очень существенные различия; достаточно упомянуть всего лишь одно. Если бы электрон мог достичь скорости света, его масса стала бы бесконечно большой, а его «толщина» уменьшилась бы до нулевой. Совершенно очевидно, что электрон никогда не сможет достичь такой скорости. С другой стороны, фотон действительно обладает как раз такой скоростью, следовательно, электрон и свет должны иметь существенно разные свойства. Мы приходим также к заключению, что фотон вообще не может обладать массой в обычном смысле слова, потому что, сколь бы малой мы ни приняли массу воображаемого «замедленного» фотона, она стала бы бесконечно большой при нормальной скорости фотона, которая равна скорости света. Очевидно, что фотоны отличаются от электронов, которые в состоянии покоя или медленного движения имеют некоторую конечную массу. Есть и другие отличия, останавливаться на которых нет необходимости. Теперь мы уже подошли к теории распространения света, которая значительно отличается от взглядов, считавшихся общепризнанными в XIX в. Если свет действительно распространяется в виде фотонов, тогда мы сразу отказываемся от эфира, который был средой, необходимой для переноса электромагнитных волн. Не забудьте, что фотоны все же перемещаются в пространстве со скоростью света. Тем не менее дилемма, конечно, все еще существует, поскольку наши фотоны, несомненно, должны обладать волновыми свойствами, иначе как можно объяснить оптическую интерференцию? Является ли каждый фотон носителем этих свойств, и если это так, то сколь далеко они простираются и в чем выражаются? Пытаясь объяснить определенные эксперименты, не постулируя самого существования протяженных фронтов когерентных волн, мы оказались по-настоящему в очень затруднительном положении. Существует один оптический прибор, называемый звездным интерферометром (изобретен Майкельсоном), который позволяет измерять диаметры звезд. Этот прибор предполагает когерентную интерференцию от двух зеркал, которые могут быть разнесены на 6 и более метров. Мы без труда можем объ. яснить, что происходит, если мысленно представим себе общий когерентный волновой фронт, идущий от далекой звезды и попадающий на оба зеркала. Но может ли один фотон попасть на оба зеркала? Однако и это еще не все. Аналогичная интерференционная система была разработана для исследования радиоизлучения звезд; в этом случае два зеркала интерферометра отстоят одно от другого на сотни километров, и все же появляется интерференционная картина (для длинных волн). Разумеется, один фотон не может в одно и то же время подлететь к двум зеркалам, если между ними расстояние измеряется сотнями километров!
Были предприняты теоретические попытки объяснить это явление, основываясь на так называемой когерентности фотонов, но эти теории туманны и пока еще не являются общепризнанными. Для нас с вами проще закрыть глаза на все эти трудности, считая, что их не существует. На практике удобнее и проще всякий раз забывать о фотонах, когда описываются экспе1 рименты со световыми лучами, интерференция или | дифракция. В подобных случаях мы будем приставлять наш кеантоео-фотонный телескоп к слепому глазу, И наоборот, при обсуждении эффектов, где существенны фотоны, таких, как фотоэффект, некоторые аспекты
зрительного восприятия, и особенно спектроскопии, мы будем приставлять наш обычный оптический телескоп к слепому глазу и забудем о волновых явлениях. Все же временами нам придется обращаться то туда, то сюда. С философской точки зрения, возможно, это выглядит неудовлетворительно. Практически же это единственный способ справиться с основной трудностью теории, не получившей должного разрешения.