Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Другой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) пошел дальше: он сделал вывод о том, что световой поток состоит из потока частиц с энергией, пропорциональной частоте; эти частицы получили наименование фотонов. Чем больше частота света, тем больше энергия фотона. Следовательно, энергия фотона фиолетового света почти в два раза больше энергии фотона красного света. Эйнштейн показал, что, только приняв представление о фотонной структуре света, можно объяснить странную закономерность фотоэффекта, открытого еще Столетовым.
При этом предположении механизм фотоэффекта представляется так. В металлах имеется много «свободных» (т. е. не связанных с определенными атомами металла) электронов. Когда фотон падающего света ударяется в один из них, он передает электрону всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может вылететь из пластинки. Ясно, что энергия вырванного электрона прямо зависит от энергии выбившего его фотона, т. е. от частоты падающего на пластинку света.
Таким образом, фотоэффект явился одним из первых явлений, указывающих на корпускулярное строение света.
Дальнейшее развитие физики подтвердило справедливость предположения, что свет излучается и поглощается в виде фотонов и что их энергия тем больше, чем больше частота света.
Что такое свет —волны или частицы?
Но что же в таком случае представляет собой свет — волны или частицы?
После открытия фотоэффекта этот вопрос казался окончательно запутанным и противоречивым. В прежние времена споры о природе света были ясными. Ньютон и его последователи считали, что свет — это корпускулы, т. е. частицы, а не волны. Иначе как же объяснить прямолинейность распространения света? Ломоносов, Эйлер, Юнг, Френель, а за ними все физики середины XIX века пришли к выводу, что свет — это волны, а не корпускулы. Физики нашли способ объяснить, исходя из волновой точки зрения, почему свет распространяется прямолинейно, и даже показали, что это не всегда так бывает; например, в явлениях дифракции свет огибает препятствия, как это делает и звук, только препятствия должны быть для этого очень малы, сравнимы с длиной волны света.
Словом, в прежние времена волновая точка зрения исключала корпускулярную, и наоборот. Казалось разумным отстаивать либо одну, либо другую из них. Но никто не отстаивал обе точки зрения одновременно.
Теперь дело обстояло иначе. Было ясно, что свет обладает волновыми свойствами. Об этом говорят опыты по интерференции и по дифракции света. Но также ясно и то, что свет обладает корпускулярными свойствами. Об этом говорят опыты по фотоэффекту. И те и другие опыты совершенно достоверны и неопровержимы. И выводы из тех и других опытов совершенно определенны: из первых следует, что свет обладает волновыми свойствами, а из вторых—что свет обладает корпускулярными свойствами.
Выходит, что все прежние представления о свете были односторонними; они подмечали только ту или иную его сторону и не видели все свойства света в их единстве. Ныне, в итоге многовекового развития физики, в результате тщательной опытной проверки, мы вправе сделать заключение: свет, т. е. электромагнитные излучения, является одной из форм материи, обладающей одновременно и свойствами частиц и свойствами волн.
Французский физик Луи де-Бройль (родился в 1892 году) высказал предположение, что это положение справедливо не только для одной формы материи — электромагнитных излучений, но и для другой — вещества, и можно ожидать, что поток микрочастиц вещества будет обладать волновыми свойствами. В 1927 году американские физики Дэвисон и Джермер проверили это предположение. Они направили поток электронов на кристаллическую решетку и получили на экране типично волновую интерференционную картину. Так было установлено, что поток микрочастиц обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Если в случае света представления развивались от волновых к корпускулярным, то в случае вещества наоборот — от корпускулярных к волновым.
Таким образом, в XX веке физика показала, что любое одностороннее представление о свойствах природы оказывается неправильным.
Необходимо указать, что открытие фотонных свойств света ни в коей мере не означает возврата к ньютонианским представлениям о свете как о потоке частиц (корпускул). Новые представления о свете значительно более сложны, они точнее отражают объективные свойства света. Фотоны — это не корпускулы Ньютона; их отличает от корпускул Ньютона уже то, что фотонные свойства являются лишь одной стороной света, другой неотрывной стороной которого являются его волновые свойства.
Снова трудности и снова идеализм
Выводы о том, что свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, доказаны опытом.
И все-таки эти выводы плохо укладывались в сознании: ведь мы привыкли считать эти свойства взаимоисключающими, а выходит, что в одном и том же объекте они сосуществуют и не исключают друг друга. Это трудно понять. И эту гносеологическую трудность попытались использовать некоторые физики-идеалисты (Филипп Франк, Паскуаль Иордан и другие).
Все трудности, говорят они, происходят оттого, что думают, что свет есть нечто, существующее вне нас и независимо от нас. Разумные философы давно предупреждали, что вне нас ничего нет, что свет, электроны, протоны и т. п. существуют только в наших представлениях. Мы придумали их, чтобы было удобнее работать с математическими уравнениями. Многие физики не слушали разумных философов и говорили о свете, электронах и т. п. как об объектах. До поры до времени это заблуждение сходило им с рук, с явной нелепостью раньше они не встречались. А теперь встретились. Что же из этого получилось?
Рассматривая явление дифракции или интерференции, эти физики говорят: из этого опыта следует, что свет, существующий вне нас, обладает волновыми свойствами. А наблюдая фотоэффект, заключают: стало быть, свет, существующий вне нас, обладает не только свойствами волн, но и свойствами частиц. Вот и возникают трудности, потому что противоречивые, взаимоисключающие свойства приходится относить к одному и тому же объекту — свету. А надо рассуждать так, учат идеалисты-физики: нет света как объекта, существующего независимо от нас. Мы имеем дело лишь с показаниями приборов; в одних приборах мы действительно наблюдаем волновые явления, а в других — корпускулярные. Но это не страшно: ведь налицо два различных прибора (точнее: два различных класса приборов), два различных опыта. В одном же опыте взаимоисключающие свойства никогда вместе не встречаются. А то, что различные классы приборов дают показания, исходя из которых человек строит различные, взаимоисключающие представления — либо волновые, либо же корпускулярные, вполне допустимо. Не делайте вывода о необходимости относить эти наблюдения к одному объекту, и все будет благополучно.
Так рассуждают физики-идеалисты.
Итак, на вопрос о том, что такое свет, идеалисты отвечают: свет — это лишь наше представление, фантазия нашей мысли. Правда, эту фантазию мы строим не произвольно, а на основе показаний приборов (точнее, на основе наших чувственных восприятий показаний этих приборов), которые мы как-то комбинируем удобным для нас образом. Свет — не материя, а создание нашей мысли, не больше.
Мнение академика Вавилова
Академик Сергей Иванович Вавилов (1891—1951), выдающийся советский ученый, всю жизнь посвятивший исследованию свойств света, открывший немало его закономерностей, не согласился с утверждениями физиков-идеалистов, будто волновые и корпускулярные свойства света встречаются лишь в различных опытах (в показаниях разных приборов) и никогда не встречаются вместе в одном опыте. Напротив, утверждает С. И. Вавилов, природа не разъединяет, а соединяет эти свойства в одном опыте. В последнем прижизненном издании своей популярной книжки «Глаз и Солнце» он писал: «Весьма распространено мнение, что в опытах одного типа (например, в опыте с кольцами Ньютона) свет полностью ведет себя как волновое движение, а в опытах другого типа (например, выцветание окрашенной ткани) свет целиком проявляет себя как поток частиц. Это, однако, ошибочно. Если опыт Ньютона производить с чрезвычайно слабым светом, то при некоторых условиях есть возможность наблюдать систематические беспорядочные колебания яркости светлых колец, свидетельствующие о том, что энергия света и в этом типично волновом явлении сосредоточена в отдельных центрах — фотонах. С другой стороны, если освещать окрашенную ткань через узкие отверстия, то при выцветании обнаруживаются дифракционные явления».
Вавилов привел здесь, как видим, пример с уже известными нам кольцами Ньютона. Физика считала их типично волновыми явлениями; Вавилов же указывает, при каких условиях (чрезвычайно слабый свет) это типично волновое явление обнаруживает одновременно и свойства фотонов. В случае же сильного светового потока его корпускулярные (фотонные) свойства скрадываются, не отмечаются нами, хотя и существуют.
