Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике

Концепции классической физики развивались исключительно в рамках повседневного опыта и по мере надобности экстраполировались за его пределы. Проникновение естествознания в проблемы явлений на микроуровне привело к пониманию существования границ для подобных экстраполяций. Современная наука выделяет три качественно различающихся структурных уровня: мега-, макро- и микромир.

В классической физике, сложившейся при изучении явлений макромира, четко разграничивались объекты характеризующиеся строгой локализацией в пространстве (частицы, корпускулы) и неограниченные, непрерывные (поля). Соответственно рассматриваются два способа переноса энергии: корпускулярный и волновой. Частицы переносят энергию корпускулярно (дискретно), они в определенных процессах неделимы, индивидуализированы; волны несут энергию в пространстве и во времени непрерывно, они способны к наложению (суперпозиции), их можно разделить на отдельные компоненты, аналогичные исходной.

В макромире рассматриваются два различных по природе волновых процесса: механический и электромагнитный. Механические волны (в частности, звуковые волны) представляют собой распространяющиеся колебания вещественной среды. Электромагнитные волны - распространение переменного электромагнитного поля. Их существование обосновано электромагнитной теорией Максвелла. Уравнения, выведенные в этой теории, применимы для всего пространства, независимо от того, присутствует ли там вещество, и позволяют проследить изменение поля во времени для любой точки пространства. Такие изменения характеризуют процесс распространения электромагнитной волны, причем скорость ее, определяемая теорией, совпадает с экспериментально найденной скоростью света. Электромагнитные волны впервые были экспериментально обнаружены в конце ХIХ в. Исследования показали, что электромагнитное излучение имеет сплошной спектр, в котором длина волны . Принято выделять следующие диапазоны электромагнитных излучений (в порядке убывания длины волны, а, следовательно, увеличения частоты): радио-, инфракрасное, видимое ( мкм), ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение. На примере шкалы электромагнитных волн ярко проявляется действие философского закона перехода количества в качество, увеличение количественной характеристики – частоты, приводит к качественному изменению свойств электромагнитного излучения. Однако всего через десять лет после экспериментального подтверждения существования электромагнитных волн оказалось, что излучению присущи не только свойства непрерывной волны, но и дискретность, свойственная частицам материи. Только с этих позиций оказалось возможным объяснить ряд экспериментов (фотоэлектрический эффект и др.) Это привело к формированию в начале XX в. концепции корпускулярно-волнового дуализма.

В классической науке частицы выступают как носители дискретности, волны – как носители непрерывности. До начала XX в. данные свойства представлялись абсолютно противоположными. Возникновение механики микромира - квантовой механики, в корне изменившей представление о природе, началось с гипотезы немецкого физика Макса Планка, выдвинутой в 1900 г. для решения частной задачи – описания закономерностей испускания электромагнитных волн нагретыми телами (теплового излучения). Вся классическая физика строилась исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени, движения, непрерывного характера изменения всех физических величин, в том числе энергии тела. Сущность «парадоксальной» гипотезы Планка заключалась в том, что испускание и поглощение электромагнитной энергии веществом происходит не непрерывно, а дискретно – порциями или квантами, как предложил их называть Планк, причем энергия кванта (ε), пропорциональна его частоте (ν):

, (4.3)

где h – универсальная константа, называемая постоянной Планка. Постоянная Планка, численное значение которой позднее было определено экспериментально, является одной из фундаментальных констант, определяющих законы нашей Вселенной.

По словам Эйнштейна, Планк, изучая частное физическое явление, оказался в состоянии угадать один из самых основных и наиболее загадочных законов природы, показал, что физические величины, до сих пор считавшиеся непрерывными, состоят из отдельных квантов.

Используя квантовую гипотезу, Эйнштейн в 1905 г. сумел создать теорию фотоэффекта. Предположение о том, что свет обладает не только свойствами непрерывной волны, но и дискретной природой потока корпускул, квантов, было окончательно подтверждено закономерностями рассеяния рентгеновского излучения легкими атомами в опытах Комптона.

В 1929 г. американский ученый Г. Льюис предложил называть кванты света фотонами. Зная энергию фотона, можно определить его массу и импульс.

Для определения релятивистской массы фотона воспользуемся формулой специальной теорией относительности, связывающей массу и энергию Е = mc². Фотон обладает энергией , следовательно, релятивистская масса фотона (m) пропорциональна его частоте (ν):

. (4.4)

Фотон - частица, всегда движущаяся со скоростью света в вакууме – с, следовательно, его масса покоя равна нулю. Фотон может существовать только двигаясь со скоростью света в вакууме. Импульс фотона равен произведению массы на скорость:

, (4.5)

где - длина волны излучения.

Итак, в первой четверти XX в., сложилась концепция корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения. Свет рассматривается как реальный физический объект, который не сводится ни к волне, ни к частице в классическом смысле, обладая одновременно волновыми свойствами непрерывных электромагнитных волн, приводящих к интерференции и дифракции, и квантовыми свойствами дискретных фотонов, объясняющими фотоэффект и эффект Комптона. При этом обнаруживается важная закономерность этих проявлений свойств света: чем больше частота излучения, чем больше энергия и импульс фотона, тем ярче выражены квантовые свойства света и тем труднее наблюдать волновые явления. Наибольшей частотой и энергией, как уже говорилось, обладает гамма-излучение, для которого чаще используется термин гамма-частицы ( ). Данный символ ( ) используется и для обозначения фотона как микрочастицы.

Столь же парадоксальной, но верной, оказалась гипотеза Луи де Бройля, французского физика, предположившего в 1923 г., что корпускулярно-волновой дуализм свойствен всем материальным объектам, а следовательно и частицам вещества. Частице с импульсом соответствует волновой процесс, причем характеризующая его длина волны λ:

, (4.6)

где h – постоянная Планка (ср. с 4.5. ).

Корпускулярно-волновой дуализм стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (масса, импульс), так и волновых (длина волны, частота) характеристик. Константой связи этих двух аспектов является постоянная Планка.

Правильность гипотезы де Бройля подтверждена в 1927 г. наблюдением дифракции электронов. Это позволило определить границы применимости классической механики. Для макрообъектов длина волны оказывается настолько малой величиной, что их волновые свойства невозможно обнаружить, а следовательно, корпускулярно-волновой дуализм для них не проявляется. Микрочастицы проявляют свои волновые свойства, если размеры областей их движения сравнимы с длиной волны, рассчитанной по (4.6.) (например, электрон в атоме или протон в ядре).

Всякий микрообъект отличается от макротела тем, что сочетает в себе свойства частицы и волны, но при этом «не ведет себя ни как волна, ни как частица». Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое (волну можно разделить, например, направив на полупрозрачное зеркало). Отличие микрочастицы от макротела состоит в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, к ней неприменимо понятие траектории. Для микрочастицы ограничено применение классических параметров механического состояния – координаты и импульса.