Материал: Концепции современного естествознания. курс лекций. Федоров В.М., Пономаренко Е.Н

Белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, и показатель преломления зависит от длины волны. Так, для прозрачных веществ показатель преломления максимален для света с короткой длиной волны - фиолетового и минимален для длинноволнового света - красного.

Объяснение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к окончательному утверждению волновой теории света.

8.3. Квантовые свойства света

В 1887 г. немецкий физик, один из основоположников электродинамики Генрих Герц (1857-1894) при освещении цинковой пластины обнаружил, что с поверхности пластины под действием света вырываются отрицательно заряженные частицы. Позднее было доказано, что эти заряженные частицы - электроны.

Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Закономерности фотоэффекта экспериментально установил в 1888-1889 гг. выдающийся русский физик А.Г. Столетов (1839-1896). Попытка объяснить их в рамках электромагнитной теории света Максвелла не удалась.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца, несмотря на огромные успехи, были несколько противоречивы и при их применении возникали затруднения. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить не только фотоэффект, но и процессы испускания и поглощения света, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, оказалось несостоятельной в объяснении механизма взаимодействия света с веществом, распределения энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела и др.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком (1858—1947), согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется частотой v:

,

где h - постоянная Планка.

Квантовая теория Планка не нуждалась в «эфире» и объяснила закономерность теплового излучения абсолютно черного тела. В 1905 г. А. Эйнштейн обосновал квантовую природу света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов-фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка.

Квантовые свойства электромагнитных волн проявляются и в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением с первоначальной длиной волны наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовая концепция согласуется с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, объясняются в рамках волновых представлений. Все свойства и законы распространения света, его взаимодействие с веществом показывают, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).

Таким образом, длительный путь развития естествознания привел к современной концепции двойственной корпускулярно-волновой природы света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

8.4. Универсальность корпускулярно-волнового дуализма

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма:

не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, любой микрообъект можно описать, с одной стороны, корпускулярными характеристиками - энергией Е и импульсом р, а с другой - волновыми характеристиками - частотой v и длиной волны λ. Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

; .

Смелость гипотезы де Бройля заключалась в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для микрочастиц, обладающих массой покоя. Таким образом, любой частице с импульсом p соответствует волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:

.

Вскоре гипотезу де Бройля экспериментально подтвердили американские физики К. Дэвиссон (1881-1958) и Л. Джермер (1896-1971), обнаружив дифракцию электронов, рассеивающихся от естественной дифракционной решетки.

Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

9. Принципы неопределенности и дополнительности

В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени можно определить ее координату и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий - нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, микрочастица с определенным импульсом имеет неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с определенным значением координаты, то ее импульс не определен.

Немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976), учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: любой объект микромира невозможно одновременно с заданной наперед точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Он сформулировал принцип неопределенности:

микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс p, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию

.

Данное соотношение неопределенностей Гейзенберга означает, что произведение неопределенностей координаты ∆х и импульса ∆р не может быть меньше постоянной Планка h. Невозможность одновременно определить в пределах ошибки эксперимента координату и соответствующую ей составляющую импульса не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей включает классические характеристики движения частицы (координату, импульс) с учетом ее волновых свойств. Поскольку в классической механике измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Соотношение неопределенностей, отражая специфику физики микрочастиц, позволяет оценить, например, в какой мере можно применять понятия классической механики к микрочастицам и, в частности, с какой степенью точности можно определить траекторию микрочастиц, характеризующихся в любой момент времени определенными значениями координат и скорости. Для макроскопических тел волновые свойства не играют существенной роли: их координату и скорость можно одновременно измерить в пределах ошибки эксперимента и для достоверного описания их движения можно пользоваться законами классической механики.

Анализируя принцип неопределенности, некоторые философы пришли к выводу: соотношение неопределенности устанавливает границу познаваемости мира. На самом деле соотношение неопределенностей не ограничивает познание микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия и законы классической механики.

Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности:

получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее скорость (или импульс). С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора (макроскопического объекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении (имеется в виду измерение в пределах ошибки эксперимента) одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. С позиции квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин точно определена, то значения другой неопределенны. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем.