До конца XIX века существовали две противоположные теории природы света. Ньютон в XVII веке рассматривал свет как поток мельчайших частиц — корпускул, что объясняло прямолинейное распространение, отражение и преломление. Однако теория страдала от неспособности описать явления дифракции и интерференции.
Гюйгенс предложил волновую теорию света, в рамках которой свет — это упругие волны, распространяющиеся в гипотетической среде — эфире. Эта теория удачно объясняла интерференцию, дифракцию, поляризацию, но не могла интерпретировать фотоэффект, комpton-эффект и некоторые другие квантовые явления.
Развитие экспериментальной физики в начале XX века потребовало синтеза этих концепций. Было установлено, что свет проявляет одновременно и волновые, и корпускулярные свойства в зависимости от условий наблюдения.
Интерференция света Явление сложения волн, при котором в пространстве наблюдается чередование максимумов и минимумов интенсивности. Классическим является опыт Юнга с двумя щелями, где интерференционная картина возникает только при когерентных волнах, что невозможно объяснить с точки зрения корпускулярной теории.
Дифракция света Отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении через отверстия или мимо препятствий. В дифракционных решетках наблюдаются характерные интерференционные полосы, что также подтверждает волновую природу.
Поляризация Световые волны, как поперечные волны, могут быть поляризованы. Это невозможно в рамках корпускулярной модели Ньютона. Явление поляризации убедительно демонстрирует векторную, волновую природу света.
Эксперименты по внешнему фотоэффекту показали, что свет способен выбивать электроны из металла. Ключевые наблюдения:
Эти наблюдения не могли быть объяснены волновой теорией, которая предсказывала, что энергия передается непрерывно и должна зависеть от амплитуды (интенсивности).
Альберт Эйнштейн в 1905 году предложил, что свет состоит из квантов энергии (фотонов), каждый из которых несет энергию E = hν, где h — постоянная Планка, ν — частота света. Фотоэффект оказался естественным следствием взаимодействия фотонов с электронами.
При рассеянии рентгеновских лучей на свободных электронах наблюдается изменение длины волны, которое не зависит от интенсивности, но зависит от угла рассеяния. Этот эффект не поддается объяснению в рамках волновой теории.
Комптон предположил, что рентгеновское излучение состоит из фотонов, которые сталкиваются с электронами как частицы, передавая им часть энергии и импульса. Закон сохранения энергии и импульса дал количественные формулы для сдвига длины волны, которые точно соответствуют эксперименту:
$$ \Delta \lambda = \frac{h}{mc}(1 - \cos\theta), $$
где h — постоянная Планка, m — масса электрона, c — скорость света, θ — угол рассеяния.
На основе фотоэффекта, эффекта Комптона и других явлений родилась идея: свет не является ни чисто волной, ни исключительно потоком частиц. Он — квантовое явление, обладающее дуализмом — сочетанием волновых и корпускулярных свойств.
Это положение стало краеугольным камнем квантовой теории поля и квантовой электродинамики, где фотон — квант электромагнитного поля. При распространении в пространстве свет ведет себя как волна, при взаимодействии с веществом — как частица.
Фотоэффект формализуется уравнением Эйнштейна:
$$ E = h\nu = A_{\text{вых}} + \frac{1}{2}mv^2, $$
где:
Это уравнение демонстрирует квантовый характер поглощения энергии: электрон поглощает целый фотон, а не часть его.
Нильс Бор ввел понятие дополнительности — в квантовой механике одни и те же объекты могут проявлять разные свойства в зависимости от метода измерения. Свет проявляет волновые свойства в одних условиях (например, при интерференции), и корпускулярные — в других (например, при фотоэффекте).
Таким образом, волна и частица не исключают, а дополняют друг друга. Это не парадокс, а отражение фундаментальной квантовой природы реальности.
Фотон — это квант возбуждения электромагнитного поля, не имеющий массы покоя и распространяющийся со скоростью света. Он характеризуется следующими величинами:
Фотон может интерферировать сам с собой, как показывает интерференция одиночных фотонов в экспериментах с низкой интенсивностью излучения. Это указывает на наличие волновой функции даже у одиночных квантов.
Корпускулярно-волновой дуализм не является исключительным свойством света. Де Бройль обобщил этот принцип на материальные частицы, предположив, что любая частица с импульсом p имеет ассоциированную длину волны:
$$ \lambda = \frac{h}{p} $$
Это предсказание было подтверждено в экспериментах с электронами, демонстрирующими дифракцию на кристаллических решетках. Таким образом, дуализм — универсальное свойство микромира.
Интерференция одиночных фотонов Даже при подаче по одному фотону через интерференционную установку наблюдается интерференционная картина, формирующаяся по мере накопления событий. Это указывает на то, что фотон интерферирует не с другими, а сам с собой, что возможно только при наличии волновой функции.
Двойной щелевой эксперимент с фотонами и электронами Современные реализации двойного щелевого опыта с регистрацией единичных событий демонстрируют постепенное построение интерференционной картины, подтверждая волновую природу даже для отдельных квантов.
Квантовая электродинамика (КЭД) объединяет корпускулярно-волновой дуализм в строгую математическую теорию взаимодействия света и материи. Свет рассматривается как квантованное электромагнитное поле, его кванты — фотоны. КЭД успешно объясняет:
Дуализм в КЭД не является загадкой, а отражает способ, которым квантовые поля проявляются в различных физических ситуациях. Волновые свойства — следствие интерференции вероятностей. Корпускулярные свойства — результат дискретных квантов поля при взаимодействии.
Корпускулярно-волновой дуализм — фундаментальный принцип, разрушивший классическое деление на волны и частицы. Он требует отказаться от наглядных моделей в пользу вероятностного, квантового описания.
Наблюдаемые свойства света зависят от конкретного взаимодействия и используемого прибора. Свет не является волной или частицей сам по себе. Он — квантовый объект, свойства которого проявляются по-разному в зависимости от условий.
Это открытие стало основой всей современной физики микромира — от квантовой механики до квантовой теории поля.