Общие знания

Свет - это частица или волна?

В приближенном виде, свет и частица и волна. Но в точном представлении свет не является ни частицей, ни волной, а является чем-то более сложным.

В качестве метафоры рассмотрим цилиндрическую банку фасоли. Если держать банку боком, заставить друга только посмотреть на ее тень, и спросить его, какая форма у предмета, он ответит "прямоугольником". Но теперь поверните банку на девяносто градусов, заставьте второго друга посмотреть только на тень, и он скажет вам, что банка "круглая". Теперь ваши двое друзей будут спорить друг с другом об истинной форме, и они не будут делать большого прогресса.

Кто из них прав? Они оба правы и оба не правы в некотором смысле. Цилиндр является круглым, как видно из одного угла, и прямоугольным, как видно из другого угла, но на самом деле это гораздо больше, чем круг плюс прямоугольник.

Это нечто более сложное: трехмерная форма, которую невозможно полностью описать с помощью двумерных форм, таких как круги и прямоугольники. Проблема в том, что ваши друзья смотрели на тени банки фасоли, а не на сам объект. Тень - это двумерное, рухнувшее представление трехмерного объекта.

Тень - это двумерное свернутое представление трехмерного объекта. Случай очень похож, когда дело доходит до квантовых частиц, таких как свет. Сказать, что свет - это частица, значит рассматривать его как свернутое представление более сложной сущности. Точно так же изображать свет как волну - значит рассматривать его как более простой объект, чем он есть на самом деле.

Свет иногда действует как волна, а иногда как частица, в зависимости от ситуации. Это имеет смысл только в том случае, если вы признаете, что свет является чем-то более сложным; что-то, что с определенной точки зрения выглядит волнообразным, а с другой точки зрения выглядит частицеобразным. Так что же на самом деле является светом? На этот вопрос трудно ответить, не вдаваясь в сложную математику.

Ситуация похожа на пресловутого слона и слепых. Один слепой чувствует только ногу слона и объявляет слона деревом. Другой слепой чувствует хвост слона и объявляет его веревкой. Другой чувствует бивень и объявляет животное копьем. Все слепые отчасти правы, а отчасти ошибаются, потому что не имеют полной информации. Но как объяснить слона слепому человеку, если он не лазит по нему и не чувствует каждый сантиметр? Вот в чём трудность, с которой сталкиваются физики, объясняя квантовые частицы людям, неспособным решить математику самостоятельно.

Свет - это комплексное распределение вероятностей, которое имеет квантованные (дискретные) свойства, такие как энергия. Самый маленький кусочек света называется фотоном. Подобно волне, фотон испытывает дифракцию, интерференцию, преломление, отражение, дисперсию, когерентность и имеет частоту. Как и частица, фотон содержит фиксированную энергию, фиксированный момент, фиксированный спин и может быть измерен, чтобы иметь одно фиксированное место в пространстве. Волнообразные и частицевидные признаки фотона компенсируются в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. Это означает, что чем больше вы заставляете фотон действовать как частица, например, заключая его в небольшую коробку, тем самым снижая неопределенность в его положении, тем меньше он действует как волна.

В знаменитом эксперименте Юнга с двойной щелью когерентный луч света направляется через две щели, а затем на фотопластинку. Когда каждый фотон попадает на пластинку, он делает единственную точечную метку, указывающую на то, что фотон взаимодействовал с пластинкой как частица. Но общая картина меток на пластине - это картина интерференции полос, которая возможна только в том случае, если свет является волной. Интерференция является результатом того, что два луча создаются двумя щелями, которые расходятся от щелей и мешают друг другу. Что еще более удивительно, если мы притушим свет до тех пор, пока не будем пропускать только один фотон за один раз, мы все равно получим интерференционную картину. Это означает, что один фотон проходит через обе щели одновременно, воздействует на себя волнообразным образом при выходе из щелей, и затем делает одну отметку на пластинке, как частицы. Если это звучит для вас бессмысленно, то это потому, что вы все еще представляете фотон как просто частицу или волну. Поскольку фотон является флуктуирующим распределением вероятностей с квантованными свойствами, он может делать все эти вещи совершенно разумным образом.

Удивительно, но все квантовые объекты от электронов до протонов ведут себя как квантованные распределения вероятностей, а не только фотоны. Если вы обнаружите, что квантовую частицу/волну трудно визуализировать, не позволяйте этой трудности искушать вас отвергать квантовую теорию как бессмыслицу. Квантовая теория была экспериментально проверена в сотнях лабораторий уже почти столетие. Кроме того, полупроводниковый чип внутри компьютера, который вы сейчас видите перед собой, в решающей степени зависит от правильности квантовой теории. Отвергать квантовую теорию как шарлатанство, потому что ее концепции трудно визуализировать, значит сказать, что компьютеры не существуют.

Back to top button