Двойственная природа света

Пользуясь теорией света как теорией электромагнитных колебаний, можно объяснить большинство его свойств: отражение, преломление на границе двух сред, цветовой состав, отклонение при проходе через малые отверстия и прочие интерференционные явления. Интерференцией называется столкновение и взаимодействие двух или более волн в отдельной точке или области.

Но не все свойства света объясняются волновой теорией. Сюда относятся явления, связанные с фотоэффектом (фотоэлементы), люминесценцией (испусканием света) и так называемой термически вызванной радиацией. К созданию фотоэлементов привели опыты, в которых некоторые металлы испускали электроны под воздействием света. При тщательном изучении энергетических состояний этих электронов обнаружилось, что ими усваивалась световая энергия и притом отдельными небольшими порциями.

Все приводимые ниже явления объяснимы только в случае признания света потоком мельчайших заряженных частиц, энергетических квантов, именуемых фотонами. Именно для объяснения термически вызванной радиации Макс Планк предложил квантовую теорию, которая стала основой всего физического описания природы.

Итак, свет одновременно обладает свойствами частицы и волны и должен признаваться и тем и другим. Но тут есть одно затруднение: названные свойства воспринимаются нами как несовместимые. Основываясь на обычных (макрофизических) рассуждениях, невозможно составить представление о свете как волне и потоке заряженных частиц вместе. Это выходит за пределы нашего разумения. Наш ум не в силах вообразить ничего подобного. И, тем не менее, свет представляет собой и волны, и частицы одновременно, или что-то высшее и большее, в чем сочетаются свойства обеих, но что нам не дано уразуметь, то есть просто СВЕТ.

Понемногу выяснилось, что удивительная двусторонняя природа света, которую всемирно известный физик Нильс Бор обозначил словом дополнительность, присуща множеству физических явлений. Оказалось, что дополнительность господствует во всей ядерной физике.

Например, электроны, которые долго считались просто элементарными частицами материи, при некоторых опытах проявили волновые свойства. Их интерференция оказалась очень похожей на световую. Степень нашего признания электрона волной или частицей зависит от типа нашего измерительного прибора.

Итак, электрон можно рассматривать как волну и частицу одновременно. О свете можно сказать то же самое. Этот вывод не зависит от технических сложностей опыта, а есть фундаментальное ограничение, обязательное для всякого научного метода, и его невозможно преодолеть. Это ограничение, справедливое для всех дополняющих параметров, покоится на собственных отношениях и взаимной зависимости между объектом и измерительным устройством.

Если, например, в атомной физике нам понадобилось установить на опыте и скорость (у) и положение (х) некой частицы, то придется признать, что мы не можем получить точного значения этих величин. Обозначим неопределенность измерения обоих параметров А х и А V соответственно. Принцип неопределенности, введенный В. Гейзенбергом, говорит, что произведение неопределенностей измерения невозможно уменьшить ниже некоторого минимального значения. Математически это записывается так:

где п — так называемая постоянная Планка, а т — масса частицы. Следовательно, нет возможности точно определить местоположение электрона в пространстве и одновременно измерить его скорость. В принципе, мы можем продемонстрировать, что частица находится в некой точке, только наблюдая ее там. Но для такого наблюдения

требуется крайне коротковолновый свет или гамма-лучи. А этот свет неизбежно столь мощно подействует на частицу, что она отлетит прочь с непредсказуемой скоростью.

Введенный Н. Бором принцип дополнительности можно сформулировать так: для всякого физического параметра есть дополнительный параметр, и соотношение обоих параметров таково, что нет никакой возможности точно определить оба параметра в ходе одного опыта. Если в поставленном опыте один параметр точно определяется, то другой неизбежно остается неопределенным и наоборот.

Принцип неопределенности выражает некое существеннейшее свойство природы. Из него следует, что простое и понятное описание природы невозможно. Тем-то и характерна новая физика, что она отказалась от требований понятности.

Позже мы еще обсудим, почему этот подход может оказаться важным не только в чистой физике, но и в других областях.

В итоге мы обязаны заявить: свет — это отдельное и цельное явление. Его значение для нашей жизни — основное и решающее. Он же является главным переносчиком потоков энергии во всей Вселенной.

Свет представляется нам (через физические опыты и их истолкование нашими органами чувств) в двух различных образах, кажущихся взаимно непримиримыми в пределах логического мышления и нашего постижения. Из этого очевидного противоречия нет выхода. Науке пришлось с этим смириться.

Какие же общие выводы можно сделать из результатов физических исследований?

1.Мы не можем просто пренебречь явлениями или свойствами, которые выглядят взаимно противоречивыми, объявив их неверно установленными, мнимыми или неполными. Мы не можем достоверно знать, что такие явления сами по себе исключают друг друга.

2.Нам не следует отметать упомянутые явления как несущественные, тривиальные или нестоящие внимания. Их знание может оказаться решающим для человечества. Хотя никто не способен полностью понять, что такое свет или электрический ток, все же любой ребенок, повернув выключатель, может использовать оба явления полностью.

3.Возможности нашего логического мышления ограничены. Пока оно прилагается к разрешимым задачам или к наблюдаемым явлениям, его выводы можно легко проверить. Но когда оно занимается явлениями, познаваемыми лишь по их воздействию на измерительные приборы или по оставленным ими следам, мы больше не можем настаивать на требовании, чтобы его выводы были понятны и однозначны.

Поиск по сайту: