Свет несет с собой секреты реальности способами, которые мы не можем полностью понять.
Ключевые выводы
- Свет - самая загадочная из всех известных нам вещей.
- Свет не имеет значения; это и волна, и частица, и это самое быстрое во Вселенной.
- Мы только начинаем постигать тайны света.
Это третья статья в серии статей, посвященных рождению квантовой физики.
Свет - это парадокс. Он связан с мудростью и знанием, с божественным. Просвещение предложило свет разума как ведущий путь к истине. Мы эволюционировали, чтобы с большой точностью определять визуальные образы - отличать листву от тигра или тени от вражеского воина. Многие культуры идентифицируют солнце как богоподобную сущность, источник света и тепла. В конце концов, без солнечного света нас бы здесь не было.
И все же природа света - загадка. Конечно, мы многое узнали о свете и его свойствах. Квантовая физика сыграла важную роль на этом пути, изменив то, как мы описываем свет. Но свет странный. Мы не можем коснуться его так, как касаемся воздуха или воды. Это вещь, которая не является вещью, или, по крайней мере, она не состоит из материала, который мы ассоциируем с вещами.
Если бы мы отправились назад в 17 век, мы могли бы проследить разногласия Исаака Ньютона с Христианом Гюйгенсом по поводу природы света. Ньютон утверждал, что свет состоит из крошечных неделимых атомов, а Гюйгенс возражал, что свет - это волна, распространяющаяся в среде, пронизывающей все пространство: в эфире. Они оба были правы, и они оба были неправы. Если свет состоит из частиц, то какие это частицы? А если это волна, распространяющаяся в пространстве, то что это за странный эфир?
Светлая магия
Теперь мы знаем, что можем думать о свете в двух смыслах - как о частице и как о волне. Но в течение 19 века корпускулярная теория света была в основном забыта, потому что волновая теория была настолько успешной, что что-то не могло быть двух вещей. В начале 1800-х годов Томас Янг, который также помог расшифровать Розеттский камень, провел прекрасные эксперименты, показывающие, как дифрагирует свет, проходя через маленькие щели, точно так же, как это делали волны на воде. Свет проходил через щель, и волны мешали друг другу, создавая яркие и темные полосы. Атомы не могли этого сделать.
Но тогда что такое эфир? Все великие физики 19th века, включая Джеймса Клерка Максвелла, разработавшего прекрасную теорию электромагнетизма, верили, что эфир существует, даже если он ускользает от нас. В конце концов, никакая приличная волна не могла бы распространяться в пустом пространстве. Но этот эфир был довольно странным. Он был совершенно прозрачным, поэтому мы могли видеть далекие звезды. У него не было массы, поэтому он не создавал трения и не мешал орбитам планет. Тем не менее, он был очень жестким, чтобы обеспечить распространение сверхбыстрых световых волн. Довольно волшебно, правда? Максвелл показал, что если электрический заряд колеблется вверх и вниз, он генерирует электромагнитную волну. Это были электрические и магнитные поля, связанные вместе, одно подталкивало другое, когда они путешествовали в пространстве. И что еще более удивительно, эта электромагнитная волна будет распространяться со скоростью света, 186 282 мили в секунду. Вы моргаете глазами, и свет проходит семь с половиной раз вокруг Земли.
Максвелл пришел к выводу, что свет представляет собой электромагнитную волну. Расстояние между двумя последовательными гребнями является длиной волны. Красный свет имеет большую длину волны, чем фиолетовый свет. Но скорость любого цвета в пустом пространстве всегда одинакова. Почему это около 186 000 миль в секунду? Никто не знает. Скорость света - одна из констант природы, измеряемых нами чисел, описывающих поведение вещей.
Стойкий, как волна, твердый, как пуля
Кризис начался в 1887 году, когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент, чтобы продемонстрировать существование эфира. Они ничего не могли доказать. Их эксперимент не смог показать, что свет распространяется в эфире. Это был хаос. Физики-теоретики выдвинули странные идеи, заявив, что эксперимент не удался, потому что аппарат сжимается в направлении движения. Все лучше, чем признать, что свет действительно может путешествовать в пустом пространстве.
А потом появился Альберт Эйнштейн. В 1905 году 26-летний специалист по патентам написал две статьи, которые полностью изменили то, как мы представляем себе свет и всю реальность. (Не так уж и плохо.) Начнем со второй статьи, посвященной специальной теории относительности.
Эйнштейн показал, что если принять скорость света за самую высокую скорость в природе и предположить, что эта скорость всегда одинакова, даже если источник света движется, то два наблюдателя движутся относительно друг друга с постоянной скоростью и производя наблюдение, необходимо скорректировать их измерения расстояния и времени при сравнении их результатов. Так, если один находится в движущемся поезде, а другой стоит на станции, то временные интервалы измерений ими одного и того же явления будут разными. Эйнштейн предоставил им возможность сравнить свои результаты таким образом, чтобы они согласовывались друг с другом. Поправки показали, что свет может и должен распространяться в пустом пространстве. Ему не нужен был эфир.
В другой статье Эйнштейна объяснялся так называемый фотоэлектрический эффект, который был измерен в лаборатории в 19м веке, но оставался тайна. Что произойдет, если на металлическую пластину направить свет? Это зависит от света. Не от того, насколько он яркий, а от его цвета или, точнее говоря, его длины волны. Желтый или красный свет ничего не делает. Но посветите на пластину синим или фиолетовым светом, и пластина на самом деле приобретет электрический заряд. (Отсюда и термин фотоэлектрический.) Как свет может наэлектризовать кусок металла? Волновая теория света Максвелла, столь хороша во многих вещах, не могла этого объяснить.
Молодой Эйнштейн, смелый и дальновидный, выдвинул возмутительную идею. Конечно, свет может быть волной. Но он также может быть сделан из частиц. В зависимости от обстоятельств или типа эксперимента преобладает то или иное описание. Для фотоэлектрического эффекта мы могли бы представить себе маленькие «пули» света, ударяющие по электронам на металлической пластине и отбрасывающие их, как бильярдные шары, летящие со стола. Потеряв электроны, металл теперь имеет избыточный положительный заряд. Это так просто. Эйнштейн даже вывел формулу для энергии летящих электронов и приравнял ее к энергии приближающихся световых пуль, или фотонов. Энергия фотонов равна E=hc/L, где c - скорость света, L - его длина волны, а h - постоянная Планка. Формула говорит нам, что меньшие длины волн означают больше энергии - больше импульса для фотонов.
Эйнштейн получил Нобелевскую премию за эту идею. По сути, он предложил то, что мы сейчас называем корпускулярно-волновым дуализмом света, показав, что свет может быть как частицей, так и волной и проявляться по-разному в зависимости от обстоятельств. Фотоны - наши световые пули - это кванты света, мельчайшие из возможных световых пакетов. Таким образом, Эйнштейн привнес квантовую физику в теорию света, показав, что возможны оба поведения.
Я представляю, как Ньютон и Гюйгенс улыбаются на небесах. Это фотоны, которые Бор использовал в своей модели атома, которую мы обсуждали на прошлой неделе. Свет - это и частица, и волна, и это самая быстрая вещь в космосе. Он несет с собой секреты реальности способами, которые мы не можем полностью понять. Но понимание его двойственности было важным шагом для наших сбитых с толку умов.