Страница 7 из 8
Световой поток вышибает электроны из катода лампы, и под действием электрического поля они устремляются к аноду, замыкая цепь.
Рис. 7
Как рассуждали представители классической физики эпохи стимпанка? Ну, если свет – это волна, то поливая световым потоком металл, как из шланга, мы постепенно накачиваем электроны энергией, и когда электрон накопит энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от ядра атома, он вылетит. Стало быть, чем интенсивнее мы «поливаем» электроны, тем больше будет фотоэффект. А от цвета света, то есть от частоты излучения, эффект зависеть не должен. Однако результат эксперимента оказался полностью противоположным. Оказалось, энергия вылетающих электронов связана не с интенсивностью света (ярче, темнее), а почему-то с его частотой. И при достижении какой-то критически низкой частоты, электроны переставали выбиваться даже при высочайшей интенсивности светового потока.
Почему?
Эйнштейн, занявшийся этой проблемой, закрыл вопрос со свойственной ему гениальностью. Он, взяв на вооружение идею Планка о том, что излучение и поглощение энергии происходит порциями, квантами энергии, заявил:
– Ребят! Свет – не волна! То, как он себя ведет при выбивании электронов, говорит о том, что так вести себя могут только частицы. И чем они энергичнее, тем больше энергия выбитого электрона. А энергия световых частиц зависит от их частоты. То есть влияет не количество частиц (интенсивность света), а их качество (частота). Слабенькими частицами хоть уполивайся, у них недостаточно энергии для того, чтобы вырвать электрон из металла. А вот даже одной энергичной частицы достаточно, чтобы вырвать один электрон, то есть реденького потока энергичных частиц света вполне хватит для начала фотоэффекта. Бинго, друзья!
Частицы эти позже назвали фотонами.
И во всем этом была двойная странность. Во-первых, о каких частицах речь, если свет – это волна, что доказано опытным путем!? Во-вторых, если Эйнштейн говорит о частицах, то, черт возьми, какая у частиц может быть частота? Ведь частица – это объект, а не процесс!
Молекула воды – объект. А волны на море – синхронизированный процесс колебания молекул воды – вверх-вниз, вверх-вниз…
Пружина – объект. Колебания пружины – процесс…
По-моему, тут все ясно. Есть же разница между ногами и ходьбой, верно? Ну, какая может быть частота (длина волны) у табуретки?
Однако Эйнштейн был прав, что и подтвердили бесконечные опыты с фотоэффектом. Десять лет некто Роберт Милликен проводил опыты с фотоэффектом, пуляя кванты света на катод. И он был такой не один. После чего физический мир согласился с правотой Эйнштейна. А Милликен, который на основании этих опытов вычислил постоянную Планка и написал: «Я потратил десять лет своей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г. и, вопреки всем своим ожиданиям, был вынужден в 1915 г. безоговорочно признать, что его уравнение экспериментально подтверждено, несмотря на всю его несуразность. Ведь это противоречит всему, что мы знаем…»[6]
Таким образом квантовая природа света была доказана: свет – это частицы. Что было доказано с той же неопровержимостью, с которой ранее в опытах с интерференцией было доказано, что свет – это волна.
Свет оказался и волной, и частицей. И объектом, и процессом одновременно.
И тогда физики махнули рукой и решили: а пускай! Пусть будет противоречие. Назовем это корпускулярно-волновым дуализмом. Как только непонятную вещь как-нибудь называешь, она сразу как бы становится понятнее… И будем отныне говорить так: свет – это материальный объект, который можно описать и как частицу, и как волну в зависимости от способа описания и приборного парка. Хотите описать свет как волну – устраивайте эксперименты по дифракции и интерференции. А если хотите описать свет как частицы – фотоэффект вам в руки! Применение двух взаимоисключающих моделей для описания одного природного явления назвали принципом дополнительности.
Но на этом история не закончилась. Вслед за Эйнштейном на сцену выскочил Луи де Бройль со своим номером. Ему пришло в голову удивить публику следующим трюком:
– Так! Идея следующая. Там, в этом микромире, где все такое маленькое и непонятное, световые волны оказались частицами. Так может быть, и частицы тоже обладают свойствами волн, а? Как тебе такое, Макс Планк?
Тоже ведь гениальная идея, согласитесь. Если фотоны обладают свойствами волн и частиц одновременно, почему бы и частицам, электронам, например, не иметь частоты и длины волны?
Позже был проведен аналог двухщелевого эксперимента с пучком электронов. И они исправно нарисовали на экране интерференционную картину. В точности как свет. Хотя всем в ту пору было известно, что электроны – это маленькие отрицательно заряженные шарики, которые кружатся вокруг положительного заряженного ядра атома.
– А вдруг, – пришла в чью-то голову свежая идея, – поток электрончиков, пролетающих в эти щели, синхронно колеблется? Вдруг согласованное движение электронов образует волны в электронном потоке? Ну, так же как образуется звуковая волна в воздухе? И в результате мы видим интерференционную картину? Ась?
Хм. Как это проверить? Да очень просто! Надо запускать в установку электроны по одному. И если после тысяч простреленных через две щели электронов на экране постепенно образуются две засвеченные полосы напротив щелей, тогда электроны – однозначно частицы! А если постепенно, отдельными точечками, нашлепается на экране та же интерференционная картина, значит, они – волны! Точнее, в полете ведут себя как волны, а точками (частицами) становятся, уже ударившись в экран.
Так ведут себя волны. Каждая щель является вторичным источником волн, которые складываются-вычитаются с волнами из соседней щели, образуя красивый интерференционный узор.
Рис. 8
Этот эксперимент был проведен. Электроны пуляли по одному. Они пролетали через установку, шлепались в экран, оставляя каждый после себя точечный след, и постепенно-постепенно на экране нарисовалась интерференционная картина.
Вот тут уже надо было крякнуть, сесть на табуретку, перекрутить портянки, достать кисет с махоркой и вдумчиво перекурить. Что вообще произошло?
Это ведь не просто означало, что электроны в свободном полете вели себя как волны! Их же пускали по одному! И после пролета через щелевую часть установки электроны хлопались на экран, уже проинтерферировав сами с собой, то есть волны складывались и вычитались горбушками и впадинками, оставляя на экране светлые и темные полосы. Но чтобы такой интерференционный рисунок получить с водяными или световыми волнами, нужно, чтобы каждая щель была вторичным источником волн, которые в пространстве за щелевым экраном будут между собой складываться и вычитаться (см. картинку).
Вы еще не поняли?
Еще раз: электроны-то запускали через две щели по одному! Это значит, что один электрон пролетал через обе щели сразу, после каждый щели образовывалось два фронта волны, которые и интерферировали между собой.
Бузу трешь! – как сказал бы дед Щукарь из бессмертного романа Шолохова. (Шутка.)
Но все-таки… Как один электрон одновременно мог пролететь через две щели? Как одну табуретку можно одновременно привезти на девятый этаж сразу на двух лифтах?
Естественно, у физиков возникла идея: а если закрыть одну щель, будет образовываться интерференционная картинка? Закрыли. Не образовывалась. Просто на экране напротив открытой щели, куда пролетали электроны, накапливалась жирная полоса засветки.
А если мы поставим детектор за щелью, чтобы подсмотреть, в какую же из них пролетел электрон на самом деле? Так и сделали. После чего «самое дело» изменилось. Реальность изменилась: интерференционная картинка образовываться перестала. Неужели само по себе наблюдение меняло реальность?
6
М. Планк. Революция в микромире. Квантовая теория. – М.: ДеАгостини, 2012.