Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
163
заключается в том, что, хотя законы природы симметричны, наш мир не находится в симметричном состоянии-, он состоит из протонов, нейтронов, электронов, атомов водорода и т. д., но не из антипротонов, антинейтронов, позитронов или антиводородных атомов. Причина такого отсутствия симметрии в том, что симметричное состояние нестабильно относительно аннигиляции: материя и антиматерия не могут сосуществовать в ограниченном пространстве. Именно потому, что Земля существует, она должна быть построена либо из вещества, либо из антивещества. Она не могла бы быть их смесью.
Интересно решить вопрос: можно ли такое отсутствие симметрии в состоянии нашего мира распространить на всю Вселенную? Возможно, что существуют галактики, состоящие из антивещества; поскольку среднее расстояние между галактиками имеет порядок трех миллионов световых лет, то аннигиляция им не угрожает. На этот вопрос пока невозможно дать ответ, хотя мы склонны считать, что антигалактик не существует. Неизвестно, как возникли галактики, но можно предположить, что они возникли в процессе конденсации некоторого рода «пыли». При этом, однако, трудно понять, как произошло разделение вещества и антивещества, которое привело к образованию галактик и антигалактик. Если мы отвергнем идею антигалактик, остается неразгаданной тайна существования несимметричного мира, в котором преобладает один тип вещества, при условии, что основные законы физики, управляющие этим миром, почти полностью симметричны.
Можно ли «расщепить» фотон?
31. Рассмотрим интересный вопрос, имеющий фундаментальное значение: можно ли фотон с частотой со расщепить на две части так, чтобы сумма их энергий была Лео, но частота каждой из них оставалась бы равной со?
Известно, что классическая электромагнитная теория дает весьма точное описание большой совокупности опытов со светом. Мы говорили также, что соотношение между энергией и импульсом «фотона» может быть получено и в рамках этой классической теории. В таком случае, быть может, позволительно сказать, что фотон есть проста волновой пакет или цуг волн излучения, поведение которого определяется законами классической электромагнитной теории? Мы задали сейчас вопрос, который имеет фундаментальное значение. Если фотон может быть расщеплен в указанном смысле, то вся совокупность идей, которую мы пытались развить в этой главе, окажется поколебленной. -
Ответить на наш вопрос можно, обратившись к опыту. Чтобы понять, какого рода опыты следует поставить, примем точку зрения классической теории, а затем сделаем ряд предсказаний, которые мы можем проверить на опыте, чтобы решить, справедлива ли классическая картина.
164
32. Классический цуг волн электромагнитного излучения можно» образовать с помощью источника излучения, антенны и ключа, который может включать и выключать передатчик. Включим передатчик, работающий на частоте со, на определенное время. Антенна^ излучит цуг волн такой же длительности. Этот цуг волн можно считать классическим аналогом почти монохроматического «фотона». Можно вообразить, что возбужденный атом работает подобно этому устройству.
Снова подчеркнем, что мы стараемся теперь сравнить свойства физического фотона, проявляющиеся в реальных опытах, с поведением нашего классического цуга волн. Это означает сравнение объекта реально существующего в природе (фотона) с объектом, в природе не существующим, каким является цуг электромагнитных волн, точно следующий законам классической электродинамики. Мы сравниваем, таким образом, факт и фантазию. Чтобы избежать недоразумений, обозначим реальный фотон словом фотон, а воображаемый — словом цуг волн. Чтобы убедиться в том, что «цуг волн» не является реальностью, рассмотрим некоторые следствия этого представления, которые можно проверить на опыте.
33. Рассмотрим испускание света атомом ртути, возбужденным в результате столкновения. Испускаемый свет имеет частоту а\ соответствующую голубому цвету. Постоянство частоты со испускаемого излучения понять нетрудно: эта частота соответствует некоторой определенной частоте колебаний в атоме. Невозможно, однако,-исходя из классических представлений, понять, почему энергия, уносимая каждым цугом волн, всегда равна в точности Йсо. Удары, приводящие к возбуждению атома, по-видимому, не идентичны, и энергия, освобождаемая для испускания света, различна от раза к разу. Но еще труднее понять, почему два абсолютно разных атома, например атом натрия и атом ртути, испускающие свет различной ЧаСТОТЫ COfxja И COHg, ДОЛЖНЫ ИСПуСКаТЬ ЦуГИ ВОЛН С Энергией ^CONa и /icoHg соответственно. С классической точки зрения появление универсального коэффициента пропорциональности % кажется весьма таинственным.
Если обратиться к совокупности всех экспериментальных фактов, рассмотренных в гл. 3, станет ясно, что они не могут быть поняты с помощью классической теории. Забудем, однако, на время все, что нам известно об испускании и поглощении света, и обратимся к изучению «изолированного» фотона. Рассмотрим цуг волн, испущенных некоторым источником, и будем изучать его свойства с помощью фотоэлемента.
