Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Фотоны же, из которых состоит свет, лучше уравновешены в этом отношении. В них очевидны и свойства волны, и свойства частицы. В нашем повседневном опыте сравнить их не с чем. Однако только из-за того, что мы не имеем знакомого аналога, мы не должны считать, что волночастица «противоречит здравому смыслу» или является парадоксом или, что хуже того, «ученые не смогли прийти к решению».

Мы увидим это яснее, если выберем не прямую аналогию. Представьте себе конус из твердого вещества, например из стали. Если перевернуть такой конус, выровняв его основание по линии горизонта, он покажется треугольным. Держа его таким образом, его можно пронести сквозь треугольное отверстие в стальном листе, но не сквозь круглое отверстие такой же площади.

Представим, что конус повернули острием к глазу. Теперь его граница кажется круглой. В этой ориентации он пройдет через круглое отверстие в стальном листе, но не сквозь треугольное отверстие такой же площади.

Если два наблюдателя, знакомые с двумерной плоскостной геометрией, но не с трехмерной объемной геометрией, проведут такие эксперименты, один будет с жаром настаивать, что конус треугольный, поскольку проходит сквозь треугольное отверстие, а другой будет утверждать с таким же пылом, что конус круглый, потому что проходит сквозь круглое отверстие. Они будут спорить целую вечность и не придут к выводу.

Если этим двум наблюдателям сказать, что они оба частью правы, а частью не правы и что объект их спора имеет свойства как треугольника, так и круга, их первой реакцией (в основе которой будет лежать двухмерный опыт) будет ярость — как это предмет может быть одновременно и кругом, и треугольником?

Однако конус не то чтобы являлся и кругом, и треугольником, но он имеет как круглое, так и треугольное сечения, а это означает, что часть его свойств — свойства круга, а часть — свойства треугольника.

Таким же образом фотоны в каких-то аспектах имеют свойства волны, а в каких-то — свойства частицы. Волнообразные свойства их, так красиво продемонстрированные в XIX веке, были результатом экспериментов, нацеленных на то, чтобы обнаружить волновой аспект света (как в случае правильного расположения конуса для того, чтобы показать, что он треугольный).

Частицеобразные свойства оказалось не так легко продемонстрировать. Точнее говоря, в 1901 году русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866–1911) показал, что свет оказывает очень малое давление. Зеркало, подвешенное в вакууме на тонкой нити, реагировало на это давление, поворачиваясь и перекручивая нить. Это давление оказалось возможным измерить по небольшому закручиванию нити, происходившему в тот момент, когда луч света попадал на зеркало.

В некоторых условиях, как показал Лебедев, давление излучения оказывается более сильным, чем гравитация. Замерзшие газы, составляющие поверхность кометы, испаряются, когда комета приближается к Солнцу, и частички пыли, обычно удерживающиеся на месте замерзшим газом, освобождаются. На эти частички действуют как незначительная сила притяжения кометы, так и давление огромного солнечного излучения. Необычно большое давление излучения сильнее, чем необычно малая гравитация, и частички пыли частично сдуваются излучением, которое распространяется по всем направлениям от Солнца.

Именно так и появляется хвост кометы, состоящий из света, отраженного от этих пылинок, и всегда направленный от Солнца. Так, если комета отдаляется от Солнца, хвост движется впереди нее. Эта ориентация хвоста кометы заставила немецкого астронома Иоганна Кеплера заявить о давлении излучения за три века до того, как его существование было продемонстрировано в лаборатории.

Существование давления излучения может, как правило, служить примером частицеобразных свойств света, если мы посчитаем это давление результатом бомбардировки частицами, как давление газа (см. ч. 1). Однако в 1873 году Максвелл (который тоже работал над кинетической теорией газов) показал, что есть хорошие теоретические аргументы в пользу того факта, что световые волны могут оказывать давление излучения и как волны, а не как частицы.

Более чистый пример частицеобразных свойств был показан в 1922 году американским физиком Артуром Холли Комптоном (1892–1962). Он обнаружил, что, проникая в вещество, рентгеновский луч (это очень высокочастотная форма света, более подробно она будет обсуждаться в III томе этой книги) иногда ударял электроны и не только оказывал таким образом давление, но и сам преломлялся! При преломлении частота его несколько возрастала, а это означало, что рентгеновский луч терял энергию.

С другой стороны, электрон отскакивал в таком направлении, которое высчитывалось из преломления рентгеновского луча, и приобретал ровно столько энергии, сколько луч терял. Это преломление и переход энергии были полностью аналогичны тому, что случилось бы, если бы электрон столкнулся с электроном или, возвращаясь к сказанному, если бы бильярдный шар столкнулся с бильярдным шаром. Этот эффект Комптона наглядно продемонстрировал, что фотон рентгеновского луча может действовать как частица.

Были хорошие причины полагать, что чем более энергичен фотон, тем более очевидными становятся его частицеобразные свойства по сравнению с волнообразными. Следовательно, эффект Комптона легче было продемонстрировать на фотоне рентгеновского луча, чем на менее энергетичных фотонах видимого света, но результат его относится ко всем фотонам. Частицеволновая природа фотонов с тех пор не подвергалась сомнению.

В то время как некоторые эксперименты освещали волнообразные свойства света, а некоторые — частицеобразные, даже не планировался эксперимент, который показал бы, что свет ведет себя одновременно и как волна, и как частица (таким же образом, конус может быть сориентирован и так, чтобы проходить сквозь треугольник, и так, чтобы проходить сквозь круг, но не так, чтобы проходить через оба отверстия). Датский физик Нильс Бор (1865–1962) установил, что придумать эксперимент, в котором свет вел бы себя одновременно и как волна, и как частица, просто невозможно в принципе. Его назвали принципом дополнительности.

Это не так страшно для ученых, как звучит. Мы привыкли определять общую форму трехмерного тела, изучая его сначала с одной стороны, затем с другой, а потом объединяя в воображении собранную таким образом информацию. Мы не стремимся видеть предмет со всех сторон одновременно и не думаем, что, только глядя со всех сторон одновременно, можно понять истинную форму предмета. Фактически, если бы мы могли его видеть со всех сторон, мы получили бы замешательство вместо просветления, как когда мы видим портрет работы Пикассо, на котором женщина нарисована одновременно и в профиль, и анфас.

Если рассматривать свет как имеющий свойства и частицы, и волны, то действительно отпадает нужда в светоносном эфире, так же как не нужен нам эфир ни для объяснения гравитации, ни в качестве мерила абсолютного движения.

Сколько бы свойств волны ни демонстрировал свет, его перемещение в вакууме делает очевидными его частицеобразные свойства. Фотоны летят сквозь бесконечные толщи вакуума точно так же, как, по описанию Ньютона, должны были лететь его менее сложные частицы.