За останні сто років наука зробила крок далеко вперед у вивченні будови нашого світу як на мікроскопічному, так і на макроскопічному рівні. Приголомшливі відкриття, принесені нам спеціальної і загальної теорій відносності, квантової механікою, до сих пір розбурхують розуми громадськості. Однак будь-якій освіченій людині необхідно розібратися хоча б в основах сучасних досягнень науки. Одним з найбільш вражаючих і важливих моментів є корпускулярно-хвильовий дуалізм. Це парадоксальне відкриття, розуміння якого непідвладне інтуїтивного побутового сприйняття.
Корпускули і хвилі
Вперше дуалізм виявили при дослідженні світла, який вів себе в залежності від умов абсолютно по-різному. З одного боку, виходило, що світло - це оптична електромагнітна хвиля. З іншого боку - дискретна частинка (хімічне дію світла). Спочатку вчені вважали, що ці два уявлення взаємно виключають одна одну. Однак численні досліди показали, що це не так. Поступово реальність такого поняття, як корпускулярно-хвильовий дуалізм, стала буденною. Ця концепція є основою для вивчення поведінки складних квантових об`єктів, які не є ні хвилями, ні частками, а лише набувають властивостей друге або перше в залежності від певних умов.
Досвід з двома щілинами
Дифракція фотонів - наочна демонстрація дуалізму. Детектором заряджених частинок є фотопластинка або люминесцирующий екран. Кожен окремий фотон відзначався засвіченням або точкової спалахом. Сукупність таких відміток давала интерференционную картину - чергування слабо і сильно засвічених смужок, що є характеристикою дифракції хвилі. Це і пояснюється таким поняттям, як корпускулярно-хвильовий дуалізм. Знаменитий фізик і Нобелівський лауреат Річард Фейнман говорив, що речовина веде себе в малих масштабах так, що відчути «природність» поведінки квантів неможливо.
універсальний дуалізм
Однак цей досвід справедливий не тільки для фотонів. Виявилося, що дуалізм - це властивість всього речовини, і він універсальний. Гейзенберг стверджував, що матерія існує в обох варіантах поперемінно. На сьогоднішній день абсолютно доведено, що обидва властивості проявляються зовсім одночасно.
корпускулярна хвиля
А як пояснити таку поведінку матерії? Хвилю, яка властива корпускула (часткам), називають хвилею де Бройля, по імені молодого аристократа-вченого, який запропонував рішення даної проблеми. Прийнято вважати, що рівняння де Бройля описують хвильову функцію, яка в квадраті визначає тільки ймовірність того, що частка перебуває в різний час в різних точках в просторі. Простіше кажучи, дебройлевская хвиля - це ймовірність. Таким чином встановили рівність між математичним поняттям (ймовірністю) і реальним процесом.
квантове поле
Що таке корпускули речовини? За великим рахунком, це кванти хвильових полів. Фотон - квант електромагнітного поля, позитрон і електрон - електронно-позитронного, мезон - квант мезонного поля і так далі. Взаємодія між хвильовими полями пояснюється обміном між ними якимись проміжними частинками, наприклад, при електромагнітній взаємодії йде обмін фотонами. З цього прямо випливає ще одне підтвердження того, що хвильові процеси, описані де Бройлем, - це абсолютно реальні фізичні явища. А корпускулярно-хвильовий дуалізм виступає не як «таємниче приховане властивість», яке характеризує здатність частинок до «перевтілення». Він наочно демонструє два взаємопов`язаних дії - рух об`єкта і пов`язаний з ним хвильової процес.
тунельний ефект
Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла пов`язаний з багатьма іншими цікавими явищами. Напрямок дії хвилі де Бройля проявляється при так званому тунельному ефекті, тобто при проникненні фотонів через енергетичний бар`єр. Це явище обумовлене перевищенням середнього значення імпульсом частинки в момент пучности хвилі. За допомогою тунелювання виявилася можливою розробка безлічі електронних приладів.
Інтерференція квантів світла
Сучасна наука говорить про інтерференцію фотонів так само загадково, як і про інтерференцію електронів. Виходить, що фотон, який є неподільною часткою, одночасно може пройти по будь-якого відкритого для себе шляхи і интерферировать сам з собою. Якщо врахувати, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей речовини і фотон являють собою хвилю, яка охоплює багато структурних елементів, то його подільність не виключається. Це суперечить попереднім поглядам на частку як на елементарне неподільне утворення. Маючи певну масою руху, фотон формує пов`язану з цим рухом поздовжню хвилю, яка передує самій частці, так як швидкість поздовжньої хвилі більше, ніж поперечної електромагнітної. Тому можна пояснити так інтерференції фотона самого з собою: частка розщеплюється на дві складові, які і интерферируют один з іншому-хвиля фотона проходить двома шляхами і формує интерференционную картину. Досвідченим шляхом було виявлено, що інтерференційна картина створюється і при пропущенні крізь інтерферометр черзі одиничних заряджених частинок-фотонів. Цим підтверджується теза про те, що кожен окремий фотон інтерферує сам з собою. Особливо чітко це видно при врахуванні того, що світ (не когерентний і не монохроматично) - це збори фотонів, які випромінюються атомами у взаімонесвязанних і випадкових процесах.
Що таке світло?
Світлова хвиля - це електромагнітне нелокалізованих поле, яке розподіляється по простору. Електромагнітне поле хвилі володіє об`ємною густиною енергії, яка пропорційна квадрату амплітуди. Це означає, що щільність енергії може змінюватися на будь-яку величину, тобто це безперервно. З одного боку, світло - це потік квантів і фотонів (корпускул), які, завдяки універсальності такого явища, як корпускулярно-хвильовий дуалізм, являють собою властивості електромагнітної хвилі. Наприклад, в явищах інтерференції і дифракції та в масштабах світло явно демонструє характеристики хвилі. Наприклад, одиночний фотон, як було описано вище, проходячи через подвійну щілину, створює інтерференційну картинку. За допомогою експериментів було доведено, що окремо взятий фотон - це не електромагнітний імпульс. Його не можна розділити на пучки з дільниками променів, що показали французькі фізики Аспе, Роже і Гранжьє.
Світло має і корпускулярним властивостями, які проявляються при ефекті Комптона і при фотоефекті. Фотон може вести себе як частинка, яка поглинається об`єктами цілком, розміри яких набагато менше довжини його хвилі (наприклад, атомним ядром). У деяких випадках фотони взагалі можна вважати точковими об`єктами. Немає різниці, з якої позиції розглядати властивості світла. В області кольорового зору потік світла може виконувати функції і хвилі, і частинки-фотона як кванта енергії. Предметна точка, сфокусована на фоторецепторі сітківки, наприклад, на мембрані колбочки, може дозволити оці сформувати власне відфільтроване значення як основні спектральні промені світла і впорядкувати їх за довжинами хвиль. Згідно значенням енергії квантів, в мозку предметна точка буде переведена на відчуття кольору (сфокусоване оптичне зображення).
