Вот уже больше века физики не могут определиться с ответом на этот, казалось бы, простой вопрос. Итогом споров на заре квантовой механики стало мировое соглашение между противоборствующими лагерями. И в научном мире законодательно закреплено компромиссное решение считать фотон и частицей и волной одновременно. Даже термин специально придумали: корпускулярно-волновой дуализм. Разумеется, привлекли латынь. Конечно, "фотон обладает корпускулярно-волновым дуализмом" звучит гораздо убедительнее, чем "фотон - то ли частица, то ли волна".
Откровенно говоря, это тупичок. Но совсем не пустячок. Осадок до сих пор не растворился. Но никто не смеет вновь поднимать эту столетнюю тему, прячась за академической ширмой. Вопрос, попросту говоря, законсервировали до лучших времен.
Но я, все же, рискну бросить вызов догматам и осмелюсь порассуждать на эту тему с новой точки зрения.
Фотон, то есть частица света, является прямым переносчиком электромагнитного поля, которое представляется в виде двух неразрывно связанных векторных полей: электрического и магнитного. Их векторы напряженности всегда перпендикулярны друг другу и вектору движения самого фотона. При этом они колеблются синхронно. Примерно такое представление нам предлагает академическая школа. И энергия фотона прямо пропорциональна частоте колебаний векторов электромагнитного поля, связанного с фотоном. Правда, самих векторов, конечно, никто никогда не видел. Это - абстракция, некое вспомогательное нечто, которое удобно вписывается в уравнения электродинамики Максвелла, с помощью которых рассчитываются все процессы, в которых замешан электромагнетизм.
И всё бы ничего, но почему-то свет настойчиво проявляет свойства волны, такие же, как у волн на поверхности воды. К таким свойствам относится, например способность к интерференции, проще говоря, к прямому сложению. Когда гребни волн встречаются, они складываются, а когда встречаются гребень и впадина, то они взаимно гасят друг друга. Физики говорят о том же самом так: если волны приходят в фазе, то они удваиваются, если в противофазе, то гасят друг друга.
Благодаря такому свойству волн наблюдаются красивые интерференционные эффекты, недоступные для частиц. Это свойство является следствием принципа суперпозиции волн. Простыми словами этот принцип можно упрощенно сформулировать так: две волны проходят друг через друга, не мешая друг другу. Они просто складываются как плюс и минус, если их фазы противоположны, или как плюс с плюсом, если наложение волн происходит в совпадающей фазе. Гребень складывается с гребнем, впадина со впадиной, а вот при встрече гребня и впадины просто остается ровное место, как будто никаких волн вообще не существовало. Они в таком случае гасят друг друга и попросту исчезают бесследно.
Обычно частицы так не могут. Если уж они встречаются, то уж точно погасить друг друга бесследно и мирно у них не получится. Так же как не получится огибать стены и выделывать прочие фокусы, которые без труда проделывают волны.
А вот у фотона как-то получается. Хотя, скажу по секрету, у электронов тоже получается. Да и у всех остальных частиц тоже. Но это тема отдельного разговора. Сегодня нам достаточно проблем с фотоном. Так что пока сосредоточимся на нем.
То есть фотон - это волна. Но волна - это протяженный объект. Он должен иметь длину, чтобы быть волной. Точечных волн не бывает. А фотон - это точечная волна, потому что в момент рождения и смерти он появляется строго в конкретном месте в конкретное время. Никакой размытости, никаких компромиссов. И энергии фотон несет строго определенную порцию - не больше и не меньше положенного: ровно свою частоту, помноженную на постоянную Планка. И это тоже неоспоримый и тысячи раз подтвержденный факт.
Это была присказка. А теперь настало время сказки.
Фотон - это не волна. Это точечное колебание. Колебание даже не важно чего. Для сути вопроса это не имеет значения. Пусть это будет колебание электромагнитного поля. Главное, что нужно отметить, что любому колебанию присуща энергия. Это на уровне интуиции должен понимать тот, кто хоть немного знаком с физикой. То есть по сути фотон - частица, четко локализованная в пространстве и времени и имеющая строго определенный запас внутренней энергии колебания. Но как он проделывает, например, фокус с интерференцией?
Очень просто. Это связано с характером его движения. Он не движется как биллиардный шар строго по прямой. Его движение происходит от точки к точке, рывками. И каждый раз он хаотично меняет направление движения. Хаотично? Не совсем. На свободу выбора направления следующего шага накладываются некоторые ограничения. Тот, кто читал мою предыдущую статью, должен уже догадаться, к чему я веду. Фотон, как и любой объект природы подчиняется коктейлю закона и хаоса, и, следовательно, выписывает свою траекторию по законам теории хаоса, закладывая свои виражи строго в рамках паутины аттрактора, форма которого зависит от конкретных условий.
Если фотон абсолютно свободен (на его пути нет препятствий), он движется абсолютно хаотично, то есть все направления движения для него равновероятны. Отсюда - сферическая форма фронта электромагнитного излучения. Когда на пути фотона встречается препятствие, картина его аттрактора меняется, приобретая причудливые очертания. Я не даю здесь количественных расчетов. Это всего лишь качественная концепция того, как мы должны рассматривать фотон. Никакого дуализма. Только частица, но частица, закон движения которой не похож на закон движения тел в классической механике. И мы это уже прекрасно знаем, ведь квантовая механика совсем не похожа на классическую. В его движении доля хаоса гораздо больше, чем в привычном нам макроскопическом мире. Чем глубже мы погружаемся в микромир, тем сильнее проявляет себя хаос, случайность. Но при этом доля закона (правил) не исчезает без следа. Она присутствует. В какой мере? Это мы должны узнать в будущем, когда физика, наконец, разгадает тайны законов хаоса, царящих в области элементарных частиц.
Физики уже научились рассчитывать движение квантовых объектов, но еще не смогли объяснить суть квантовой природы мироздания. Так вот же - всё лежит на поверхности. Осталось только построить стройную математическую модель.
Ко всему вышесказанному я сделаю дополнение для особо вдумчивых читателей, особенно для тех, кто достаточно хорошо знаком с затронутым здесь вопросом. Это дополнение касается эксперимента по дифракции единичных фотонов. Дело в том, что в свое время был поставлен опыт, в котором на узкую щель направляли очень слабый пучок света, настолько слабый, что он представлял из себя поток отдельных фотонов, следующих друг за другом с ощутимыми интервалами времени. То есть каждый фотон проходил через щель независимо от других. И в результате, после нескольких часов, когда через щель прошло достаточно много фотонов, на фотопластинке, которая фиксировала попадание фотонов на экран за щелью, был получен характерный дифракционный узор. То есть фотоны, испущенные в разное время, как будто взаимодействовали друг с другом, как части единой неразрывной волны. Интерпретация такого результата, мягко говоря, затруднена как в рамках корпускулярной, так и волновой модели и, казалось бы, прямо констатирует корпускулярно-волновой дуализм света. Но это не так. Способ обойтись без дуализма есть. То, что свет состоит из точечных объектов (фотонов) - неоспоримый факт. По крайней мере, если фотоны и имеют неточечный размер, но, определенно - это не протяженные объекты. Это сгустки чистой энергии, заключенные в очень малом объеме пространства. Скорее всего этот объем имеет характерный размер порядка планковской длины, не более. А вот без волновых фокусов вполне можно обойтись, если обратиться к концепции аттракторов.
P. S. Дополнение для особо одаренных. Тут в комментариях некоторые пишут такое, что я просто удивляюсь, откуда в людях такое самомнение? Я не профессор и не доктор наук, но имею, все-таки, некоторую довольно крепкую базу знаний по тем вопросам, о которых осмеливаюсь рассуждать публично. А по высказываниям некоторых комментаторов невооруженным взглядом видно, что их знания едва ли выходят за рамки школьного курса физики, искаженного чтением научно-популярных журналов. Если вы хотите поспорить или прояснить для себя какие-то моменты, я всегда открыт для дискуссии и готов поделиться своими знаниями с любым читателем. При этом я не претендую на истину в последней инстанции. Но когда кто-то говорит, что я несу чушь, обосновывайте столь вызывающие слова, аргументируйте. Только имейте в виду, ваши аргументы должны предполагать хотя бы элементарную грамотность. Я всегда готов признать свои ошибки, если вы их заметили и обосновали с достаточным уровнем квалификации. А нападки в стиле "это бред, потому что всем известно, что свет это волна, а не частица" будут отправляться в бан без разговоров. Не хочу, чтобы мой канал засоряли плоскоземельщики и прочие уфологи, которым хоть кол на голове теши, но они будут упрямо бубнить свои безумные мантры.
