Двоїста корпускулярно-хвильова природа світла

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Розділ 13 КОРПУСКУЛЯРНІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА

13.9. Двоїста корпускулярно-хвильова природа світла

Яка ж природа світла насправді? Чи є воно електромагнітними хвилями, які випромінюються джерелом світла, чи джерело світла випромінює потік фотонів, що летять у просторі зі швидкістю світла у вакуумі? На перший погляд здається, що дві точки зору на природу світла – хвильова і квантова – взаємно виключають одна одну. Деякі ознаки хвилі і частинок дійсно протилежні. Так, рухомі

частинки перебувають у певних точках простору, тоді як немає сенсу говорити про місцезнаходження в певній точці простору хвилі, що поширюється. Необхідність приписувати світлу взаємовиключні властивості – хвильові й корпускулярні – може справити враження недосконалості наших уявлень про природу світла, а двоїстість природи світла здається штучною. Розвиток оптики, вся сукупність оптичних явищ довели, що світло має складну двоїсту корпускулярно-хвильову природу: має одночасно і хвильові,
і корпускулярні властивості. Світлу притаманні також хвильові властивості неперервних електромагнітних хвиль і квантові властивості дискретних фотонів. Двоїста природа світла знаходить своє відображення у формулах (13.10), (13.14) і (13.15), що визначають основні характеристики фотонів. Як видно з цих формул, корпускулярні характеристики фотона – енергія ε, імпульс р і маса m – пов’язані з хвильовою характеристикою світла – його частотою ν (або довжиною хвилі λ).

У прояві суперечливих властивостей світла спостерігається важлива закономірність. У довгохвильового випромінювання (наприклад, інфрачервоного світла) квантові властивості проявляються менше, тоді як хвильові властивості виявляються чіткішими. Якщо ж “пересуватись” уздовж шкали електромагнітних хвиль від довгих хвиль у бік більш коротких, то поступово хвильові властивості світла проявлятимуться менше, поступаючись місцем корпускулярним, які стають чіткішими. Це видно, наприклад, з аналізу випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від довжини хвилі, пояснення червоної межі фотоефекту та ін.

Як було показано в цьому розділі, випромінювання абсолютно чорного тіла у разі великих довжин хвиль можна пояснити, виходячи із класичних уявлень про неперервність процесу випромінювання, тоді як у разі малих довжин хвиль потрібний якісно новий підхід до розуміння природи випромінювання. Наявність “червоної межі” фотоефекту суперечить класичним уявленням, її можна зрозуміти тільки з точки зору корпускулярних уявлень про природу світла. Квадрат амплітуди світлової хвилі в будь-якій точці простору є мірою ймовірності попадання фотонів у цю точку. При цьому хвильові й корпускулярні властивості взаємно доповнюють одна одну. Вони виявляють справжні закономірності поширення світла і його взаємодію з речовиною. Корпускулярні властивості світла зумовлені тим, що енергія, імпульс і маса випромінювання зосереджені в частинках – фотонах. Ймовірність знаходження фотонів у певних точках простору визначається хвильовими властивостями світла – амплітудою світлової хвилі.

Отже, хвильові властивості притаманні не лише сукупності великої кількості фотонів, що одночасно випромінюються. Кожний окремий фотон має хвильові властивості, які проявляються в тому, що для фотона не можна точно визначити, в яку саме точку екрана він попаде після проходження щілини. Можна говорити лише про ймовірність попадання кожного фотона в ту або іншу точку екрана.

Таким чином, аналіз випромінювання абсолютно чорного тіла, явища фотоефекту, досліду Йоффе – Добронравова, ефекту Комптона, дослідів Вавилова неухильно свідчить про корпускулярну природу світла, про фізичну реальність фотона. Щоправда, корпускули світла Ейнштейна – фотони – істотно відрізняються від корпускул світла в розумінні стародавніх вчених і навіть І. Ньютона. Проте з корпускулярної точки зору не можна пояснити такі властивості світла, як інтерференція, дифракція, поляризація. Під світлом слід розуміти потік електромагнітних хвиль і водночас корпускул (фотонів). Крім того, фотон є корпускулою особливого роду. Основна характеристика його дискретності – властива йому порція енергії – визначається через хвильову характеристику – частоту ν (ε = hν).Так у фізику вперше ввійшла зовсім незвична ідея певного внутрішнього зв’язку дискретного і неперервного, корпускули й хвилі, ідея, яку почали називати корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм, розкритий сучасною фізикою, є яскравим вираженням діалектичної суперечності єдності перервного і неперервного в будові матерії. Ця об’єктивна суперечність розкривається в процесі нашого пізнання дійсності. Категорії перервного і неперервного, деталізовані в процесі розвитку фізики за допомогою понять частинки і хвилі, кванта й відповідних їм полів, полів і відповідних їм квантів і т. д, відображають лише частково невичерпну об’єктивну реальність. Єдність цих протилежностей, що склалися в процесі пізнання дійсності й постійного поглиблення цього пізнання, виражає невичерпність, складність, суперечливість реального світу.




Двоїста корпускулярно-хвильова природа світла