Какова же природа света самом деле? Или оно электромагнитными волнами, которые излучаются источником света, или источник света излучает поток фотонов, летящих в пространстве со скоростью света в вакууме?
На первый взгляд кажется, что две точки зрения на природу света - волновая и квантовая - взаимно исключают друг друга. Некоторые признаки волны и частиц действительно противоположны. Так, движущиеся частицы находятся в определенных точках пространства, тогда как нет смысла говорить о местонахождении в определенной точке пространства распространяющейся волны. Необходимость приписывать свету взаимоисключающие свойства - волновые и корпускулярные - может произвести впечатление несовершенства наших представлений о природе света, а двойственность природы света кажется искусственной. Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений доказали, что свет имеет сложную двойственную корпускулярно-волновую природу: имеет одновременно и волновые, и корпускулярные свойства. Светлую присущи также волновые свойства непрерывных электромагнитных волн и квантовые свойства дискретных фотонов. Двойственная природа света находит свое отражение в формулах (13.10), (13.14) и (13.15), определяющие основные характеристики фотонов. Как видно из этих формул, корпускулярные характеристики фотона - энергия есть, импульс р и масса m - связанные с волновой характеристикой света - его частотой v (или длиной волны ?).
В проявлении противоречивых свойств света наблюдается важная закономерность. В длинноволнового излучения (например, инфракрасного света) квантовые свойства проявляются меньше, тогда как волновые свойства проявляются четче. Если же «перемещаться» вдоль шкалы электромагнитных волн от длинных волн в сторону более коротких, то постепенно волновые свойства света проявляться меньше, уступая место корпускулярными, которые становятся более четкими. Это видно, например, из анализа излучения абсолютно черного тела в зависимости от длины волны, объяснения красной черты фотоэффекта и др..
Как было показано в этом разделе, излучения абсолютно черного тела при больших длин волн можно объяснить, исходя из классических представлений о непрерывности процесса излучения, тогда как в случае малых длин волн нужен качественно новый подход к пониманию природы излучения. Наличие «красной черты» фотоэффекта противоречит классическим представлениям, ее можно понять только с точки зрения корпускулярных представлений о природе света. Квадрат амплитуды световой волны в любой точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку. При этом волновые и корпускулярные свойства взаимно дополняют друг друга. Они проявляют настоящие закономерности распространения света и его взаимодействие с веществом. Корпускулярные свойства света обусловлены тем, что энергия, импульс и масса излучения сосредоточены в частицах - фотонах. Вероятность нахождения фотонов в определенных точках пространства определяется волновыми свойствами света - амплитудой световой волны.
Следовательно, волновые свойства присущи не только совокупности большого количества фотонов, одновременно излучаются. Каждый отдельный фотон имеет волновые свойства, которые проявляются в том, что для фотона нельзя точно определить, в какую именно точку экрана он попадет после прохождения щели. Можно говорить лишь о вероятности попадания каждого фотона в ту или иную точку экрана.
Таким образом, анализ излучения абсолютно черного тела, явления фотоэффекта, опыта Иоффе - Добронравова, эффекта Компто-на, опытов Вавилова неуклонно свидетельствует о корпускулярной природе света, о физическую реальность фотона. Правда, корпускулы света Эйнштейна - фотоны - существенно отличаются от корпускул света в понимании древних ученых и даже И. Ньютона. Однако с корпускулярной точки зрения нельзя объяснить такие свойства света, как интерференция, дифракция, поляризация. Под светом следует понимать поток электромагнитных волн и одновременно корпускул (фотонов). Кроме того, фотон является корпускулы особого рода. Основная характеристика его дискретности - присущая ему порция энергии - определяется через волновую характеристику - частоту v (есть = / * у). Так в физику впервые вошла совсем необычная идея некоего внутреннего связи дискретного и непрерывного, корпускулы и волны, идея, которую начали называть корпускулярно-волновым дуализмом.
Корпускулярно-волновой дуализм, раскрыт современной физикой, является ярким выражением диалектического противоречия единства непрерывного и непрерывного в строении материи. Эта объективное противоречие раскрывается в процессе нашего познания действительности. Категории непрерывного и непрерывного, детализированы в процессе развития физики с помощью понятий частицы и волны, кванта и соответствующих им полей, полей и соответствующих им квантов и т. д., отражают лишь частично неисчерпаемую объективную реальность. Единство этих противоположностей, сложившихся в процессе познания действительности и постоянного углубления этого познания, выражает неисчерпаемость, сложность, противоречивость реального мира.
Контрольные вопросы и задания
1. При каком условии наступает лучистая (тепловая) равновесие?
2. Назовите количественные характеристики процессов излучения и поглощения, а также их единицы. Дайте определение этих характеристик и их единиц.
3. Сформулируйте закон Кирхгофа.
4. Каким методом определяют температуру поверхности звезд? На каком законе он основывается? Сформулируйте этот закон.
5. Чему равна отношение кванта энергии излучения к частоте этого излучения?
6. Выполнение которой условия нужно для возникновения внешнего фотоэффекта?
7. Какие свойства - волновые или корпускулярные - проявляет свет в явлении фотоэффекта?
8. Сформулируйте законы фотоэффекта и объясните их на основе квантовой теории света.
9. Какую природу света подтверждает опыт Иоффе и Добронравова? Объясните его.
10. Что такое комптоновского длина волны? Как ее можно определить?
11. Для чего в своих опытах со светом С. И. Вавилов на сетчатку глаза постоянно направлял помимо основного красный свет? Почему основной свет он подбирал очень слабой интенсивности?
12. Как вы понимаете корпускулярно-волновой дуализм света?