Единство корпускулярно-волновых свойств света

Свойства светаПроблемой природы света стали активно заниматься с начала XVIIIв. В это время конкурировали две альтернативные теории света — корпускулярная и волновая. Вопрос стоял так: свет либо волна, либо поток частиц. В XIX в. после работ Юнга, Френеля и Макс­велла проблема казалась решенной окончательно: свет - это электромагнитная волна. Однако в начале XX в. после работ Эйнштейна, Комптона и других ученых было доказано, что свет — это поток фотонов — релятивистских образований, несущих энер­гию и импульс. Не является ли это возвратом к корпускулярной теории, отказом от волновой теории света?

Конечно, нет! Явления интерференции, дифракции, поляри­зации и дисперсии однозначно свидетельствуют в пользу вол­новой природы света, а фотоэффект, эффект Комптона и флуктуационные явления говорят о том, что свет — это поток фотонов.

Итак, свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. Свету присущи как непрерывные (волновые) свой­ства, так и дискретные (квантовые) свойства. Как же совмеща­ются в одном объекте столь противоположные свойства?

Впервые к представлениям о корпускулярно-волновой двойственности свойств света пришел Эйнштейн при изучении флуктаций энергии в единице объема излучения абсолютно черного телa и флуктуаций светового давления. Эти величины пропорциональны друг другу, и их флуктуации должны выражаться, сходными формулами. Используя законы излучения абсолютно черного тела и методы статистической физики, Эйнштейн вычислил значения флуктуаций давлений и плотности энергии и получил формулы, содержащие сумму двух членов. Первый «квантовый член» соответствует представлению о свете как о по­токе дискретных частиц — фотонов. Второй, «волновой член» описывает флуктуации в распространяющейся электромагнитной волне. Существенно, что только сумма двух этих членов дает правильные значения флуктуаций энергии и светового давления. При этом при больших частотах главную роль играет квантовый член, а при малых частотах — волновой.

Когда нами регистрируются усредненные результаты воз­действия достаточно мощных световых потоков в течение срав­нительно больших (в масштабах микромира) промежутков вре­мени, то дискретность светового потока не играет роли, и мы наблюдаем непрерывную волновую картину. Это аналогично тому, что в макромире мы не регистрируем дискретную структуру вещества, например, в гидродинамике жидкость рассмат­ривают как непрерывную среду, не обращая внимания на то, что она состоит из молекул или атомов.

Если же мы регистрируем индивидуальные акты взаимо­действия излучения с микрочастицами, например с отдельными атомами, молекулами или электронами, то здесь дискретная структура излучения проявляется весьма наглядно — отдельный фотон взаимодействует с одной частицей вещества. Здесь уместна аналогия с броуновским движением, когда проявляются отдель­ные акты взаимодействия броуновской частицы с отдельными молекулами.