Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Эйнштейн выдвинул гипотезу: если свет действительно испускается и поглощается в виде квантов, тогда, возможно, разные частоты или длины света, воспринимаемые нами как разные цвета, различаются количеством энергии, содержащимся в их квантах. В качестве опытного подтверждения своей гипотезы Эйнштейн сослался на фотоэлектрический эффект, который возникает при поглощении определенными металлами света.

Отличительная особенность металла заключается в том, что его электроны очень подвижны. Поэтому металлы — превосходные проводники электричества. Однако степень подвижности электронов в разных металлах разная — одни металлы проводят электричество лучше, нежели другие. Подвижность электронов состоит в том, что при попадании на металлический предмет света электроны от поверхности предмета отскакивают. Потерянные таким образом электроны можно подсчитать, поскольку металлический предмет, теряя отрицательно заряженные электроны, приобретает положительно заряженные. Данный эффект обязательно учитывают при конструировании космического корабля — солнечный свет, попадая на металлический корпус, вызывает нарастание положительного заряда, а это может нарушить работу аппаратуры. Кроме того, фотоэлектрический эффект лежит в основе принципа действия оптического датчика — важнейшего элемента в экспонометре фотоаппарата. А еще — в основе датчика, переключающего дорожный светофор, а также датчика ночника в детской. (В этих электронных устройствах электроны на самом деле не выбиваются с поверхности металла по мере поглощения света, а остаются в полупроводнике: переходят из статического состояния, при котором тесно связаны с атомами, в жидкое состояние потока, при котором возникают связи, подобные связям в металлах.)

Вслед за этим Эйнштейн предположил: если свет действительно состоит из квантов, тогда, возможно, в результате этого самого фотоэлектрического эффекта электрон выбивается с поверхности металла при поглощении кванта света. Если так, то количество электронов, отлетающих от металлической поверхности каждую секунду, будет зависеть от количества прибывающих за эту секунду квантов, то есть от интенсивности света. В то время как максимальная скорость, с которой они отлетают, будет зависеть от энергии в каждом кванте, их выбивающем, то есть от частоты света (иначе — цвета).

Десятью годами позже, в 1916 году, предположения Эйнштейна подтвердились.^{154} Когда определенные металлы освещались красным светом, обладающим сравнительно низкой частотой, электроны с поверхности металлов не выбивались, каким бы ярким свет ни был. А вот при освещении зеленым светом, обладающим средней частотой, электроны покидали свои места с готовностью. Однако отлетали они с одной и той же максимальной скоростью, вне зависимости от того, насколько свет был ярким. Их скорость значительно возрастала, когда металлическую поверхность освещали пусть и совсем слабым, но фиолетовым светом, обладающим высокой частотой.

Объяснить такое явление с позиций волновой природы света было невозможно. Однако все расставила по местам гипотеза о свете, состоящем из квантов энергии, причем, объем этой энергии, содержащийся в каждом кванте, зависел от частоты. Фотоэлектрический эффект подтвердил предположение Эйнштейна о том, что свет состоит из отдельных квантов, а не разбегающихся волн. Но как научная общественность в свое время держалась за ньютоновскую теорию о свете как частицах, противясь доказательствам Юнга в пользу волновой природы света, так и в первой половине XX века она крайне неохотно пошла на замену теории Юнга теорией Эйнштейна, вновь описывавшего свет как частицы. Его гениальная догадка была отвергнута современниками, утверждавшими, что «дерзкая» гипотеза «идет вразрез с неопровержимыми фактами» и что она «не в состоянии пролить свет на природу излучения».[66]

Однако Эйнштейн твердо держался своих убеждений. «Существование светового кванта практически доказано», — пи сал он другу в 1916 году, вскоре после того, как его предположение о существование фотоэлектрического эффекта было подтверждено экспериментальным путем. Но в полной мере теорию Эинштейна приняли только в 1921 году, когда он получил Нобелевскую премию за свою работу 1905 года на тему квантовой природы света. Спустя пять лет световые кванты, о которых впервые упомянул Планк (сам в них не веривший) и существование которых доказал Эйнштейн, стали известны как фотоны.

Все вновь переменилось: свет все же состоит из частиц.

* * *

А что же Томас Юнг с его экраном? Разве демонстрация интерференции света, идущего через прорези в экране, не доказала со всей убедительностью, что свет ведет себя как волна? Опыт подтвердил волновую природу света. Две частицы — неважно, как вы их при этом назовете: корпускулами, квантами, фотонами или даже мельчайшими, меньше атома, карамельками — не могут соединиться таким образом, чтобы в итоге дать ноль частиц, как это происходит с несовпадающими по фазе и, следовательно, взаимно уничтожающимися волнами.