Откуда взялся корпускулярно-волновой дуализм?

Одна из самых мощных, хотя и противоречивых идей во всей физике - это волно-частичный дуализм. Он утверждает, что когда квант свободно распространяется в пространстве, не наблюдаемый и не измеряемый, он проявляет волновое поведение, делая вещи, такие как дифракция и интерференция, не только с другими квантами, но и с самим собой. Однако, когда этот самый квант наблюдается и измеряется или вынужден взаимодействовать с другим квантом таким образом, который раскрывает его квантовое состояние, он теряет свои волновые характеристики и вместо этого ведет себя как частица. Впервые открытый в начале 20 века в экспериментах с светом, теперь известно, что он применим ко всем квантам, включая электроны и даже составные частицы, такие как атомные ядра.

Хотя теперь мы знаем, что свет, как и все кванты, можно описать и как волну, и как частицу при определенных физических обстоятельствах, споры о том, был ли свет волновым или корпускулярным, ведутся еще в 1600-х годах. Во многих отношениях обе стороны этого древнего аргумента сегодня могут претендовать на свою правоту.

Но история о том, как мы открыли волно-частичный дуализм, не начинается и не заканчивается в начале 20 века, а, скорее, восходит к сотням лет назад: к времени Исаака Ньютона. Все началось со спора о природе света, который так и не был разрешен (несмотря на то, что обе стороны объявляли о "победе" в разное время), пока мы не пришли к пониманию странного квантового характера реальности. Хотя волно-частичный дуализм обязан своим происхождением квантовой природе Вселенной, человеческая история того, как мы это открыли, была полна важных шагов и ошибок, всегда движимая единственным источником информации, который имеет значение: экспериментами и прямыми наблюдениями. Вот как мы наконец пришли к нашему современному представлению о реальности.

То, что кажется простой плоской волной, такой как свет или вода, проходящая через частично закрытое препятствие, было представлено (блестяще) Христианом Гюйгенсом как серия волн, распространяющихся сферически наружу, все наложенные друг на друга. Эта идея волновой механики применима не только к скалярным волнам, таким как водные волны, но и к свету и частицам.

Гюйгенс: свет - это волна

Представьте волну, распространяющуюся через воду, например, в океане: она кажется движущейся линейно, с определенной скоростью и с определенной высотой, только для того, чтобы измениться и разбиться о берег, когда глубина воды уменьшается. В 1678 году голландский ученый Христиан Гюйгенс признал, что эти волны можно рассматривать - вместо линейных, согласованных сущностей - как сумму бесконечного числа сферических волн, где каждая сферическая волна накладывалась друг на друга вдоль распространяющегося волнового фронта.

Гюйгенс отметил существование явлений, таких как интерференция, преломление и отражение, и увидел, что они одинаково хорошо применимы как к водным волнам, так и к свету, и поэтому теоретизировал, что свет также является волной. Это предоставило первое успешное объяснение как линейного, так и сферического распространения волн, как для водных волн, так и для световых волн. Однако работа Гюйгенса имела свои ограничения, в том числе:

- она не могла объяснить, почему волны распространялись только вперед, а не назад,

- он не мог объяснить "эффекты края" или почему и как происходила дифракция,

- его идея света не могла объяснить существование поляризации, которая легко наблюдается, когда солнечный свет отражается от водоемов.

Идея о том, что "свет - это волна", родилась у Гюйгенса и стала довольно популярной на европейском континенте после публикации его трактата в 1690 году, но не прижилась в других местах из-за наличия гораздо более известного конкурента.

Свет, проходящий из незначительной среды через плотную среду, преломляется. Свет приходит слева, падает на призму и частично отражается (вверху), а остальная часть проходит через призму и выходит справа. Кажется, что свет, проходящий через призму, изгибается, поскольку он распространяется с меньшей скоростью, чем раньше свет, проходивший через воздух. Когда он снова выходит из призмы, он снова преломляется, возвращаясь к своей первоначальной скорости. Обратите внимание, что разные длины волн соответствуют разным цветам и что они разделяются при прохождении через призму, а не до и после.

Ньютон: свет - это корпускула (частица)

В 1704 году Ньютон опубликовал свой трактат об "Оптике", основанный на экспериментах, которые он впервые представил в 1672 году. Вместо волны Ньютон смог описать свет как серию лучей или корпускул, которые вели себя в частицеобразной манере. Выводы, сделанные в "Оптике" Ньютона, возникают как прямые выводы из проведенных экспериментов и сосредоточены на явлениях преломления и дифракции. Пропуская свет через призму, Ньютон впервые показал, что свет не "изначально белый" и изменяется в цвете в результате взаимодействия с материей, а сам белый свет состоит из всех различных цветов спектра, что он сделал, пропустив белый свет через призму.

Он проводил эксперименты по преломлению с призмами и линзами, по дифракции с плотно расположенными листами стекла и по смешиванию цветов с отдельными цветами света, которые были объединены, и с порошками пигментов. Ньютон впервые придумал палитру цветов "ROY G. BIV", отмечая, что белый свет может быть разделен на красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Ньютон был первым, кто понял, что то, что мы воспринимаем как цвет, возникает из-за селективного поглощения, отражения и передачи различных компонентов света: то, что мы теперь знаем как длину волны, идея, противоположная концепции Ньютона.

Эта диаграмма, датируемая работами Томаса Янга в начале 1800-х годов, является одной из старейших картинок, демонстрирующих как конструктивную, так и деструктивную интерференцию, возникающую от волновых источников, начинающихся в двух точках: A и B. Это физически идентичная установка эксперимента с двойной щелью, хотя она применима также к водным волнам, распространяемым через резервуар.

Эксперимент Янга с двумя щелями

На протяжении 1700-х годов идеи Ньютона стали популярными во всем мире, оказав сильное влияние на Вольтера, Бенджамина Франклина и Лавуазье, среди прочих. Но в конце века, с 1799 по 1801 год, ученый Томас Янг начал экспериментировать со светом, совершив два огромных прорыва в нашем понимании света в процессе.

Первый, возможно, самый известный прорыв, показан выше: Янг впервые провел эксперимент с двойной щелью со светом. Пропуская свет монохромного цвета через две близко расположенные щели, Янг смог наблюдать явление, которое можно объяснить только волновым поведением: конструктивную и деструктивную интерференцию этого света в создаваемом им узоре, способом, зависящим от цвета используемого света. Янг также смог доказать, через количественное исследование, что то, что мы воспринимаем как цвет света, на самом деле определяется длиной волны этого света: что длина волны и цвет, за исключением смешения различных цветов, были напрямую связаны друг с другом.

Хотя концепция света Ньютона все еще имела свои преимущества, было ясно, что волновая теория света также имела свои преимущества и преуспела там, где корпускулярная теория Ньютона не смогла. Тайна только углубилась по мере разворачивания 19 века.

Свет разных длин волн, проходящий через двойную щель, демонстрирует те же волновые свойства, что и другие волны. Изменение длины волны света, а также изменение расстояния между щелями, изменит детали возникающего узора.

Симеон Пуассон и самый абсурдный расчет

В 1818 году Французская академия наук провела конкурс эссе на тему раскрытия природы света, и физик Огюстен-Жан Френель решил принять в нем участие. В этом конкурсе он написал эссе, подробно описывающее волновую теорию света, количественно, учитывая волновой принцип Гюйгенса и принцип интерференции Янга в процессе. Он смог учесть эффекты дифракции в этой рамке также, добавив принцип суперпозиции к своему эссе, объясняя мерцающие цвета звезд.

Однако изначально один из сторонников корпускулярной идеи Ньютона, который выступал в качестве судьи в комитете, Симеон Пуассон, попытался высмеять Френеля и исключить его из конкурса. (Несмотря на то, что другой участник, который остается неизвестным более чем через 200 лет после, был неосведомлен о работе Янга.) Пуассон смог показать, что согласно теории Френеля, если вы взяли:

- монохроматический свет,

- пропустили его через рассеивающую линзу, чтобы расширить пучок,

- и пропустили этот пучок вокруг сферического препятствия,

то теория Френеля предсказывала, что вместо твердой тени появится яркая, светящаяся точка в центре тени. Более того, эта точка будет такой же яркой, как и часть пучка, лежащая вне тени сферы. Ясно, рассуждал Пуассон, эта идея абсурдна, и поэтому свет просто не может иметь волновую природу.

Результаты эксперимента, продемонстрированные с использованием лазерного света вокруг сферического объекта, с фактическими оптическими данными. Обратите внимание на выдающееся подтверждение предсказания теории Френеля: что в тени, отбрасываемой сферой, появится яркая центральная точка, подтверждая абсурдное предсказание волновой теории света. Логика, в одиночку, не привела бы нас сюда.

Франсуа Араго демонстрирует абсурдность эксперимента

Однако в комитете было пять человек, и одним из них был Франсуа Араго: аболиционист, политик и человек, который в 1848 году станет президентом Франции. Аргумент Пуассона против идеи Френеля вдохновил Араго, но не в смысле reductio ad absurdum, который Пуассон предполагал. Вместо этого Араго стал мотивирован провести эксперимент самостоятельно: создать источник монохроматического света, расширить его сферическим образом и пропустить его вокруг гладкой, маленькой сферы, чтобы увидеть результаты эксперимента.

К большому удивлению, возможно, всех, эксперимент Араго показал, что точка действительно существует! Более того, она:

- появляется с идентичной яркостью непрепятствованному свету,

- варьируется в размере только в зависимости от длины волны света,

- расстояния до экрана и размера сферы, и дополнительно содержит концентрические, тусклые кольца, которые возникают из-за дальнейшей интерференции, возникающей от различных волновых фронтов.

Идеи Гюйгенса наконец были поставлены на твердую теоретическую основу и были развиты в полноценную теорию, которая теперь могла объяснять такие явления, как поляризация. В течение 1800-х годов волновая природа света стала широко признана в научных кругах.

Свет - это не что иное, как электромагнитная волна, с синфазными колеблющимися электрическими и магнитными полями, перпендикулярными направлению распространения света. Чем короче длина волны, тем более энергичным является фотон, но тем больше он подвержен изменениям скорости света в среде.

Максвелл демонстрирует, как свет является волной

1800-е годы также были великолепным временем для достижений и открытий в областях электричества и магнетизма. Работы Ампера, Фарадея, Гаусса, Кулона, Франклина и многих других заложили основу для, возможно, величайшего научного достижения 19 века: разработки уравнений Максвелла и науки об электромагнетизме. Открытия включали:

- заряженные частицы создают электрические поля,

- заряженные частицы в движении создают электрические токи,

- электрические токи создают магнитные поля,

- изменяющиеся магнитные поля индуцируют электрические токи,

- и изменяющиеся электрические поля индуцируют то, что Максвелл назвал током смещения, или магнитное поле, которое реагирует определенным образом.

Одним из последствий уравнений Максвелла, как было показано в 1870-х годах, является то, что при определенных условиях возникнет некий вид электромагнитного излучения: излучение, состоящее из колеблющихся, синфазных электрических и магнитных полей, распространяющихся с одной универсальной скоростью, которая оказывается скоростью света в вакууме. Наконец, у нас появилось то, что казалось полным объяснением: свет не просто волна, но электромагнитная волна, всегда распространяющаяся с одной универсальной скоростью, скоростью света.

Эффект фотоэлектрического эффекта детализирует, как электроны могут быть ионизированы фотонами на основе длины волны отдельных фотонов, а не интенсивности света или любого другого свойства. Выше определенного порога длины волны для входящих фотонов, независимо от интенсивности, электроны будут сброшены. Ниже этого порога никакие электроны не будут сброшены, даже если вы увеличите интенсивность света. Как электроны, так и энергия в каждом фотоне дискретны.

Эйнштейн демонстрирует, что энергия света квантуется

Конечно, физика не закончилась с открытием классического электромагнетизма, и начало 1900-х годов принесло с собой ранние этапы квантовой революции. Один из ключевых аспектов этой новой концепции нашей реальности пришел ни от кого иного, как от самого Альберта Эйнштейна, чье трактат 1905 года об эффекте фотоэлектрического эффекта навсегда изменит наше понимание света. Взяв проводящую металлическую пластину, Эйнштейн смог показать, что освещение ее светом вызывает спонтанное испускание электронов из металла, как будто эти электроны были "сбиты" светом, который их ударил. Очевидно, при достаточной энергии электроны становились несвязанными с металлом, частью которого они были

Что Эйнштейн сделал дальше, было не меньше чем блестяще.

Когда он менял интенсивность света, он отметил, что это изменяло количество сбитых электронов, но не то, сбивались ли они. Когда он менял длину волны света, он отметил, что за пределами определенной длины волны никакие электроны не сбивались, независимо от того, насколько высокой становилась интенсивность. И когда он менял длину волны света в противоположном направлении, к коротким длинам волн, он отметил, что электроны всегда сбивались, независимо от того, насколько тусклой и темной была интенсивность. Казалось, что свет состоит из отдельных энергетических "пакетов", известных сегодня как фотоны, которые переносят энергию пропорционально их частоте. (Или обратно пропорционально их длине волны.) Хотя свет распространялся как волна, он взаимодействовал с материей как корпускула (или частица), заложив начало современной идеи волно-частичного дуализма.

Узор волн для электронов, проходящих через двойную щель, по одному за раз. Если вы измерите "какую щель" проходит электрон, вы уничтожите квантовый интерференционный узор, показанный здесь. Однако волновое поведение остается, пока длина волны де Бройля электронов меньше размера щели, через которую они проходят. Это волновое и частицеобразное поведение было продемонстрировано для электронов, фотонов и даже более крупных, составных сущностей.

Современный эксперимент с двойной щелью и двойственная природа реальности

Оказывается, что фотоны, электроны и все другие частицы демонстрируют это странное квантовое поведение волно-частичного дуализма, где, если вы наблюдаете и измеряете их во время их путешествия, или иным образом заставляете их взаимодействовать и обмениваться энергией и импульсом с другими квантами, они ведут себя как частицы, но если вы этого не делаете, они ведут себя как волны. Это, возможно, лучше всего иллюстрируется современной версией эксперимента Янга с двойной щелью, где он не зависит от монохроматического света, но может даже проводиться с отдельными частицами, такими как фотоны или электроны, проходящими через двойную щель по одной за раз.

Если вы проведете этот эксперимент, не измеряя ваши частицы, пока они не достигнут экрана, вы обнаружите, что они действительно воспроизводят классический интерференционный узор, как только вы накопите достаточно отдельных квантов. Яркие пятна, соответствующие местам, где приземляется большое количество частиц, разделены темными полосами, где приземляется мало или не приземляется ни одна частица, что согласуется с понятием интерференционного узора.

Однако, если вы измерите, проходит ли квант через "щель №1" или "щель №2" во время его путешествия, вы больше не получите интерференционного узора на экране, а просто две горки: одна горка, соответствующая частицам, прошедшим через первую щель, и другая, соответствующая частицам, прошедшим через другую.

Если вы измеряете, через какую щель проходит электрон (или фотон), выполняя поочередный эксперимент с двумя щелями, вы не получите интерференционную картину на экране позади нее. Вместо этого электроны ведут себя не как волны, а как классические частицы. Подобный эффект можно увидеть и для экспериментов с одной щелью (слева).

Многие комментировали, что "как будто природа знает, смотрите ли вы на нее или нет!" И в некотором смысле это контринтуитивное утверждение на самом деле верно. Когда вы не измеряете квант, а просто позволяете ему распространяться, он ведет себя как волна: классическая волна, которая интерферирует не только с другими волнами, но также и с самой собой, проявляя волновое поведение, такое как дифракция и суперпозиция. Однако, когда вы действительно измеряете квант или иным образом заставляете его взаимодействовать с другим квантом достаточно высокой энергии, ваш оригинальный квант ведет себя как частица, с детерминированной, частицеобразной траекторией, которую он следует, так же, как следы в детекторах частиц физики показывают.

Итак, свет - это волна или частица?

Ответ: да, это и то, и другое. Он волноподобен, когда свободно распространяется, и частицеподобен, когда взаимодействует, набор явлений, который был исследован огромным количеством способов за последние ~100 лет или около того. Несмотря на предложение скрытых переменных для попытки примирить волно-частичный дуализм в единую детерминированную рамку, все эксперименты указывают на то, что природа по-прежнему недетерминирована, поскольку вы не можете предсказать исход неизмеренного, волноподобного испытания с большей точностью, чем вероятностный подход уравнения Шредингера. Волно-частичный дуализм начался в 1600-х годах, и несмотря на наши попытки точно определить истинную природу реальности, ответ, который сама Вселенная раскрывает, заключается в том, что наша квантовая реальность является одновременно и тем, и другим, и действительно зависит от того, измеряем мы ее или взаимодействуем с ней.