Почему фотон частица, а свет волна? Раздел школьной физики «Геометрическая оптика» говорит нам, что свет представляет собой поток световых лучей, состоящих из частиц света - фотонов. Поведение световых лучей подчиняется законам оптики, например, таким как отражение и преломление.
Попадая в любую физическую среду с плотностью выше плотности вакуума, световой поток испытывает, как и положено любым материальным частицам, сопротивление этой среды. Чем выше плотность среды, тем больше сопротивление и тем меньше скорость света. Всё логично и по большому счёту правильно.
Однако от такого объяснения остаётся некое чувство неудовлетворённости и возникает ощущение, что где-то здесь спрятан обман, ну хорошо не обман, а некая неопределённость или полуправда, которая, как известно, ещё хуже прямого обмана. Почему возникает такой дискомфорт?
Во-первых, из курса всё той же школьной физики нам известно, что свет это не только частица, но ещё и электромагнитная волна.
Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Световые волны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются в веществе с конечной скоростью. (интернет ресурс http://educon.by/ EDUCON.BY Математика и физика. Учебные материалы. Физика. Оптика.)
Однако мы знаем, что волны ведут себя в различных средах совсем не так как частицы. Обычно для иллюстрации волновых свойств различных сред используют звуковые волны. Вот прямая цитата из физической энциклопедии под редакцией А.М. Прохорова издательство Москва «Советская энциклопедия» 1988 – «В газах и жидкостях звук распространяется в виде объёмных волн сжатия - разряжения. Скорость звуковых волн в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твёрдых телах». Т.е. чем плотнее среда, тем больше скорость распространения в ней волны. Нестыковочка! Ведь про свет было сказано со всей определённостью, что он замедляются с увеличением плотности среды.
Во-вторых, в следующем разделе всё той же школьной физики нам поведают, что фотоны это виртуальные, т.е. не имеющие массы покоя, частицы, переносящие энергию света. Но позвольте, как виртуальным безмассовым частицам может помешать перемещаться в пространстве какая-то физическая среда? Как она (среда) может тормозить виртуальные фотоны, или оказывать сопротивление их движению. Ведь безмассовые фотоны буквально не за что ухватить, когда они мчатся сквозь любую материальную среду. У них нет собственной материи, способной провзаимодействовать с материей окружающей среды. Или всё-таки есть??? Непонятно. Самое интересное, что школьная физика тоже хранит двусмысленное молчание по этому поводу. Но это как раз понятно, потому что без нарушения фундаментальных законов сохранения такое поведение света объяснить очень трудно. А опровержение фундаментальных физических законов, наверное, всё же не входит в задачи школьного курса физики. Придётся нам, уважаемые читатели, разбираться в этом вопросе самостоятельно.
Начнём с того, что попробуем вникнуть в суть корпускулярно-волнового дуализма. Законы геометрической оптики известны человечеству с древнейших времён и были оформлены в самостоятельный раздел физики трудами таких учёных как Иоганн Кеплер, Рене Декарт и Исаак Ньютон. Корпускулярная теория света хоть и подвергалась критике со стороны отдельных учёных, но полностью доминировала вплоть до начала XIX века. Однако в XIX веке волновые свойства света были детально изучены и скрупулёзно описаны Томасом Юнгом и Огюстеном-Жаном Френелем независимо друг от друга. Величественное здание волновой оптики, воздвигнутое их усилиями и пролившее свет на все известные оптические явления, было окончательно достроено трудами Максвелла, создателем электромагнитной теории света. С тех пор существование электромагнитных волн ни один серьёзный учёный оспаривать не будет. Волновая теория электромагнитного поля считается одной из наиболее надёжно и качественно проработанных теорий современной физики. На её принципах работает вся современная техника. С другой стороны квантовая механика и теория относительности рассматривают фотоны исключительно как самостоятельные и абсолютно самодостаточные элементарные частицы, подтверждающие свои корпускулярные свойства в таких явлениях как фотоэффект или квантовая запутанность. Поэтому сегодня общепринятая в научном сообществе точка зрения гласит, что свет с одной стороны это частицы, а с другой электромагнитные волны. Такое раздвоение свойств получило название корпускулярно-волновой дуализм. Наверное, самым известным теоретиком корпускулярно-волновой природы света, является Луи де Бройль. Он отстаивал точку зрения, что этой болезни (дуализму) подвержены не только кванты света, но также электроны и вообще любые частицы. Благодаря его трудам в современную научную и околонаучную терминологию прочно вошло такое понятие как волны де Бройля. Волны де Бройля определяют волновую природу любых частиц и позволяют говорить о вероятности обнаружения этих частиц в неком конфигурационном пространстве. Тем не менее, с моей точки зрения, утверждение, что фотон это волна, глубоко ошибочно. При этом я не отрицаю работоспособность электромагнитной теории как таковой. Все её законы абсолютно верны для хорошо изученных электромагнитных явлений. Но как такое может быть – спросите вы?! Может – отвечу я. В своих опытах отцы открыватели волновых свойств света совершили одну малозаметную подмену понятий. Эта подмена, особо не афишируемая при рождении, основательно укоренилась в головах адептов корпускулярно-волнового дуализма и кочует с тех пор по бесчисленным научно-популярным и общеобразовательным изданиям. Например, в любом школьном учебнике по физике вы найдёте примерно схожее описание опытов Гюйгенса, Юнга или Френеля, которые в тёмной-тёмной комнате пропускали через ма-а-ленькое отверстие очень тоненький луч света, который после попадания на экран с двумя щелями демонстрировал свои волновые свойства, именуемые с лёгкой руки всё того же Юнга интерференцией.
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн (Википедия. Ст. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА).
Более простыми словами – интерференция это сложение волн. Если складываются две вершина, то волна становится больше, если вершина попадает на впадину, то волны гасят друг друга.
Так вот специально обращаю ваше внимание, уважаемые читатели, что ма-а-ленькое отверстие и точечный источник света это, как говорят в Одессе, две большие разницы. Точечный источник света, который априори подразумевается во всех опытах по определению волновых характеристик света, должен испускать один фотон, ну или, в крайнем случае, серию одиночных фотонов с известным периодом дискретизации. И далее этот одиночный фотон уже обязан продемонстрировать свои волновые способности на двух щелях. Нам же изначально был предложен очень узкий фрагмент (дырка от иголки в плотном экране) постоянного источника света. Так вот от постоянного источника света через эту дырку проникает не один фотон и даже не серия одиночных фотонов, а очень много фотонов. Миллионы миллиардов фотонов, или даже ещё в триллион раз больше. Сколько точно никто не знает. Именно эти миллионы миллиардов фотонов все вместе ведут себя как волна, а точнее как волны. Они подобно морским волнам набегают на крошечное отверстие в экране, просачиваются сквозь него и далее разбегаются во все стороны, сохраняя свой первоначальный импульс движения. В результате мы видим знакомую нам со школы картинку интерференции световых волн.
При этом я ещё раз акцентирую ваше внимание – так ведут себя очень много фотонов, а не один фотон. Т.е. опыты Юнга и Френеля демонстрируют нам волновые свойства не одиночного фотона, а исключительно некой организованной группы фотонов. Точно так же как одна капля воды на кончике пипетки это не волна, а миллиарды триллионов капель воды в океане это очень даже крутые волны. Так и один фотон совсем не волна, а очень много фотонов это уже волны с полным набором волновых характеристик, таких как амплитуда, длина и частота. Справедливости ради следует сказать, что в ХХ веке была поставлена целая серия экспериментов по точечному рассеянию одиночных фотонов и электронов. Первым такой эксперимент провёл английский физик Джефри Инграм Тейлор в 1909 году. Источником фотонов у него служила свеча. Далее фотоны рассеивались через узкую щель в экране на игле (противоположные стороны иглы работали как две щели). Интенсивность фотонов регулировалась с помощью закопчённого стекла. Чем более закопчённое стекло помещалось между пламенем свечи и иглой, тем меньшее количество фотонов попадало на регистрирующую фотопластинку. Несмотря на столь скудную материальную базу, Тейлору удалось зафиксировать интерференционную картинку от пламени свечи на фотопластинке для пяти различных уровней освещённости через щель с иглой.
Правда, время экспозиции для надёжной фиксации этой картины занимало от нескольких секунд до нескольких суток. Тринадцать секунд понадобилось, чтобы получить нужную картину без использования закопчённого стекла. А самый длительный эксперимент с максимально тёмным стеклом продолжался 2000 часов (примерно три месяца). Таким образом, в эксперименте Тейлора не может быть и речи об одиночном интерферирующем фотоне. Следующими после Тейлора были советские физики Биберман, Сушкин и Фабрикант, которые в 1949 г., вдохновившись идеями де Бройля, выполняли уже опыты с рассеянием одиночных электронов. Далее опыт с одиночными электронами был повторён в 1961 г. в Тюбингенском университете Германии и в 1974 г. учёными Болонского университета в Италии. Наконец, самый точный эксперимент из этой серии поставили японские учёные в 1989 г. Все эти эксперименты однозначно подтвердили – интерференционная картина наблюдается только при достаточно длительной бомбардировке экрана большим количеством частиц. Ниже приведены фотографии из отчёта японских специалистов. На этих фотографиях отлично видно, что возникновение интерференционной картины процесс, мягко говоря, длительный.
Вначале эксперимента (фотография - a) появляется всего несколько точек, куда попали электроны. Постепенно число светлых точек хаотически растёт (фотографии - b, c) и только примерно к двадцатой минуте (фотография - d) появляются чёткие интерференционные полосы. Эти полосы сформированы из множества ярких точек, каждая из которых след одного электрона. Таким образом, реальные эксперименты, якобы надёжно подтверждающие волновые характеристики таких частиц как фотоны и электроны, на самом деле надёжно опровергают волновые свойства этих частиц. По результатам этих экспериментов можно сделать однозначный вывод - частицы становятся волнами только, собравшись вместе в очень больших количествах.
Сколько нужно собрать фотонов вместе, чтобы получить хотя бы одну волну света я затрудняюсь сказать. Точно так же никто не сможет однозначно ответить сколько нужно капель воды, чтобы организовать полноценный морской прибой. Ровно поэтому волновая электромагнитная теория неприменима к одному фотону, или электрону, или любой другой одиночной частице. Но в то же время эта теория отлично работает при описании волновых свойств больших скоплений частиц, организованных в пространстве по некоему гармоническому закону. Таким образом, правильный ответ на вопрос, поставленный в начале статьи, заключается в том, что свет действительно является волной, потому что он собран из большого количества фотонов, перемещающихся в пространстве по некому общему для всех фотонов закону. При этом любой одиночный фотон это частица и ничего более. Дуализм тут не уместен.
Почему фотоны в пространстве гармонически организованы и подчиняются волновым законам можно прочитать в другой моей статье на дзене – «Разноцветные фотоны».
PS Желающие познакомиться с более профессиональным анализом волновых свойств элементарных частиц могут сделать это по приведённой ниже ссылке (http://round-the-world.org/?p=18).
