НаверхСвет — это частица или волна?
Свет ведёт себя скорее как частица или как волна? Сегодня мы знаем неожиданный ответ. Вот почему на его получение ушло так много времени.
Свет повсюду — от самых далёких звёзд на небе до экрана перед вашим лицом. Но точная природа света и то, как он распространяется, долгое время озадачивали учёных. Один вопрос особенно мучил мыслителей от Исаака Ньютона до Альберта Эйнштейна: свет — это частица или волна?
«Является ли свет частицей или волной — это очень старый вопрос», — сказал Live Science Риккардо Сапиенца, физик из Имперского колледжа Лондона. Мы, люди, стремимся понять фундаментальную природу окружающего нас мира, и именно эта загадка не давала покоя учёным XIX века.
Сегодня ответ не вызывает сомнений: свет — это и частица, и волна. Но как учёные пришли к этому невероятному выводу?
Отправной точкой стало научное разграничение между волнами и частицами. «Вы можете описать объект как частицу, если можете определить его как точку в пространстве, — сказал Сапиенца. — Волна — это объект, который нельзя определить как точку в пространстве, и для которого нужно указать частоту колебаний и расстояние между максимумом и минимумом».
Первое убедительное доказательство волновой природы света было получено в 1801 году, когда Томас Юнг провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он поместил экран с двумя отверстиями перед источником света и наблюдал за поведением света после того, как он прошёл через щели. На стене, куда падал свет, появлялся сложный узор из светлых и тёмных полос, известный как интерференционные полосы.
Когда световые волны проходили через каждое отверстие, они генерировали парциальные волны, которые распространялись по сфере, пересекаясь друг с другом и увеличивая или уменьшая итоговую интенсивность.
«Если бы свет был частицей, то на другой стороне экрана мы бы увидели два пучка, — сказал Сапиенца. — Но мы наблюдаем интерференцию и видим свет повсюду за экраном, а не только в местах расположения отверстий. Это доказывает, что свет действительно является волной».
Восемьдесят шесть лет спустя Генрих Герц первым продемонстрировал корпускулярную природу света. Он заметил, что при попадании ультрафиолетового излучения на металлическую поверхность возникает заряд — это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Однако значение его открытия было полностью осознано лишь много лет спустя.
Электроны в атомах находятся на фиксированных энергетических уровнях. Поэтому ожидается, что при воздействии на них света электроны получат энергию и смогут покинуть атом, причём чем ярче свет, тем быстрее освобождаются электроны. Но в экспериментах, проведённых после работы Герца, несколько необычных наблюдений, казалось, полностью противоречили этому классическому пониманию физики.
Именно Эйнштейн наконец-то разгадал эту загадку, за что был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Атомы не поглощают свет непрерывно, как волна, а получают энергию в виде пакетов света, называемых фотонами, что объясняет такие странные наблюдения, как существование предельной частоты.
Но что определяет, ведет ли себя свет как волна или как частица? Согласно Сапиенце, это неправильный вопрос. «Свет — это не то частица, не то волна», — сказал он. «Это всегда и волна, и частица одновременно. Просто мы выделяем одно из свойств в зависимости от того, какой эксперимент проводим».
В повседневной жизни мы в основном воспринимаем свет как волну, и именно в этой форме физики находят его наиболее удобным для изучения.
«Существует целое направление под названием „метаматериалы“. Придавая материалу те же свойства, что и у света, мы можем усилить взаимодействие света с материалом и управлять волнами, — сказал Сапиенца. — Например, мы можем создать солнечные поглотители, которые будут эффективнее поглощать свет для выработки энергии, или метаматериалы для МРТ-зондов, которые будут намного эффективнее».
Однако двойственная природа света, известная как корпускулярно-волновой дуализм, абсолютно фундаментальна для существования мира, каким мы его знаем. Это странное двойственное поведение характерно и для других квантовых частиц, например электронов.
«Атом не мог бы быть стабильным, если бы не квантовая механика с электронами в определённых состояниях, — сказал Сапиенца. — Если убрать тот факт, что это частица, то исчезнет и тот факт, что у неё есть определённая энергия, а значит, не может существовать и жизнь».
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ ПО ФИЗИКЕ: ГЕРОИ И ПРОРЫВЫ С 1901 ГОДА
