Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрев несколько примеров, мы могли убедиться, что при анализе конкретных явлений эта двойственная природа света никак не мешала нашим рассуждениям и не приводила к логическим противоречиям. Нам только нужно было выбрать, на волновом или корпускулярном языке вести рассмотрение, и последовательно придерживаться выбранного способа описания.
Противоречие возникает только тогда, когда мы пытаемся составить общее представление о свете. Действительно, соотношение Е = hv или р = hv/c связывает волновые и корпускулярные свойства фотона: правые части содержат величину v, определяемую из интерференционных явлений, а левые части, Е и р, характеризуют фотон как частицу. Но именно эти-то свойства света и не могут быть логически непротиворечиво объяснены классической физикой, ибо с точки зрения классической физики понятия волны и частицы являются взаимоисключающими.
62
И. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
Частицы и волны в классической физике. Действительно, в классической физике частица всегда движется по определенной траектории и в каждый момент времени имеет определенные координаты и скорость. Если вблизи траектории расположить преграды, которых траектория не задевает, то частица просто «не заметит» таких преград, если, разумеется, они не оказывают на нее силового воздействия посредством каких-либо полей. Для волнового движения характерно понятие протяженного фронта волны (или волновой поверхности), и тем самым отсутствует представление о какой-либо траектории. Помещение преград на пути волны принципиально изменяет условия ее распространения. Различия в свойствах частиц и волн настолько существенны, что не возникает даже мысли о возможности сочетания этих свойств у одного объекта. И тем не менее, в явлениях микромира оказалось, что эти свойства проявляются у одних и тех же объектов.
Мысленный опыт, снимающий логические противоречия. Для
иллюстрации возникающих логических трудностей, а также для демонстрации того, как они преодолеваются квантовой теорией, рассмотрим подробнее уже упоминавшийся выше простой мысленный дифракционный опыт, схематически представленный на рис. 21. Реальные опыты, которые могут быть осуществлены, более
Рис. 21. Дифракция света на двух щелях
сложны, но их результаты подтверждают справедливость заключений, сделанных в результате анализа обсуждаемого здесь мысленного опыта.
Источник света S освещает экран А, в котором прорезаны две щели. Расстояние от А до В велико по сравнению с расстоянием d между щелями, которое в свою очередь много больше длины световой волны. На светочувствительном экране В возникает дифракционная картина, причем в местах дифракционных максимумов вырывается наибольшее число фотоэлектронов. Как и в разобранном выше опыте с дифракцией на одной щели, эксперимент показывает, что дифракционная картина сохранится и в том случае,
§ 8. СВЕТ — ЧАСТИЦЫ ИЛИ ВОЛНЫ?
63
если в каждый момент времени между источником и экраном в среднем будет находиться только один фотон. Распределение множества фотонов, попавших на экран за достаточно большой промежуток времени, по-прежнему будет определяться классической картиной дифракции от двух щелей, хотя при вырывании фотоэлектронов из экрана В фотоны ведут себя как частицы, каждая из которых выбивает электрон в определенном месте экрана.
Если закрыть одну из щелей, то интерференционные полосы пропадают — распределение интенсивности на экране становится таким же, как при дифракции на одной щели, и при очень узкой щели становится практически равномерным. Поэтому мы вынуждены считать, что при движении от источника света через щели до экрана В излучение ведет себя как волна. Если попытаться объяснить результаты опыта с помощью представления о свете как о частицах, то нужно считать, что каждый фотон, по-видимому, проходит только через одну из щелей. Но тогда, в рамках чисто корпускулярных представлений, можно было бы спросить: каким образом поток независимых фотонов, каждый из которых проходит только через одну из щелей, может образовать дифракционную картину, наблюдаемую лишь при наличии обеих щелей? Или, другими словами, каким образом щель, через которую фотон не проходит, не позволяет ему попасть на те места экрана, куда он мог бы попасть, если бы эта щель была закрыта?
В этой формулировке вопроса предполагается, что фотон действительно проходит через одну из щелей. С точки зрения классической теории это допущение является естественным, ибо предполагается, что в любой момент времени фотон (как и любая другая частица) движется по определенной траектории, т. е. имеет определенные координаты, доступные измерению. Современная квантовая теория отказывается от этого допущения, утверждая, что говорить о положении фотона имеет смысл лишь в том случае, если при постановке опыта мы позаботимся об определении его координаты. Значит, если мы хотим считать, что каждый фотон действительно, подобно частице, проходит только через одну из щелей, мы должны поставить какой-либо измерительный прибор, который бы фиксировал нам факт прохождения фотона через определенную щель. Если мы попробуем с помощью специальных счетчиков С и D фиксировать, через какое отверстие проходит каждый фотон, то обнаружим, что дифракционная картина на экране В размоется. Попробуем объяснить этот экспериментальный факт, используя соотношения неопределенностей Гейзенберга. Выясним, можно ли в принципе наблюдать на экране В интерференционные полосы, если точно определять, через какие отверстия проходит фотон.
