Эволюция физики - Альберт Эйнштейн

Но что такое свет в действительности? Волны или поток фотонов? Мы уже задавали раньше аналогичный вопрос: что такое свет — волны или поток световых корпускул? В то время было полное основание отбросить корпускулярную теорию и принять волновую, объяснявшую все явления. Однако теперь проблема гораздо сложнее. По-видимому, нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий. Положение таково, что мы должны применять иногда одну теорию, а иногда — другую, а время от времени — и ту и другую. Мы встретились с трудностью нового рода. Налицо две противоречивые картины реальности, но ни одна из них в отдельности не объясняет всех световых явлений, а совместно они их объясняют!

Как можно соединить обе эти картины? Как понять обе эти совершенно различные стороны света? Нелегко разрешить эту новую трудность. Опять мы встречаемся с фундаментальными проблемами.

Примем сейчас фотонную теорию света и постараемся с ее помощью понять факты, до сих пор объяснявшиеся волновой теорией. Этим самым мы подчеркнем трудности, которые на первый взгляд делают обе теории несовместимыми.

Как мы помним, луч однородного света, проходящий через маленькое отверстие, образует светлые и темные кольца. Как понять это явление с точки зрения квантовой теории света? Пусть фотон проходит через отверстие. Мы могли бы ожидать, что экран должен оказаться светлым, если фотон проходит сквозь отверстие, и темным — если он не проходит. Вместо этого мы обнаруживаем светлые и темные кольца. Мы могли бы попробовать рассуждать следующим образом: возможно, что между краем отверстия и фотоном существует некое взаимодействие, которое и служит причиной появления дифракционных колец. Правда, это положение едва ли можно признать за объяснение. В лучшем случае оно намечает программу объяснения, создавая, по крайней мере, некоторую надежду объяснения дифракции в будущем через взаимодействие вещества и фотонов.

Но даже эта слабая надежда разбивается нашим прежним обсуждением других экспериментальных фактов. Возьмем два маленьких отверстия. Однородный свет, проходя через оба отверстия, образует на экране светлые и темные полосы. Как следует понимать этот эффект с точки зрения квантовой теории света? Мы могли бы рассуждать так: фотон проходит сквозь какое-либо одно из отверстий. Если фотон однородного света представляет собой элементарную световую частицу, мы едва ли можем представить себе, как он может разделиться и пройти сквозь оба отверстия. Но в таком случае эффект должен бы быть совершенно таким же, как и в первом случае: светлые и темные кольца, а не светлые и темные полосы. Почему же наличие второго отверстия совершенно изменяет эффект? Очевидно, отверстие, сквозь которое фотон не проходит, даже если оно находится на большом расстоянии от другого, превращает кольца в полосы. Если фотон ведет себя подобно корпускуле в классической физике, он должен пройти только через одно из двух отверстий. Но в этом случае явления дифракции кажутся совершенно непонятными.

Наука вынуждает нас создавать новые понятия, новые теории. Их задача — разрушить стену противоречий, которая часто преграждает дорогу научному прогрессу. Все существенные идеи в науке родились в драматическом конфликте между реальностью и нашими попытками ее понять. Здесь мы снова имеем дело с проблемой, для решения которой нужны новые принципы. Прежде чем мы рассмотрим попытки современной физики объяснить противоречие между квантовым и волновым аспектом света, мы покажем, что те же самые трудности возникают и в том случае, когда мы имеем дело с квантами вещества вместо квантов света.

Оптические спектры

Мы уже знаем, что все вещество состоит из частиц, число разновидностей которых невелико. Электроны были теми элементарными частицами вещества, которые были открыты первыми. Но электроны являются также и элементарными квантами отрицательного электричества. Кроме того, мы узнали, что некоторые явления вынуждают нас предположить, что и свет состоит из элементарных световых квантов, различных для разных длин волн. Прежде чем идти дальше, мы должны рассмотреть некоторые физические явления, в которых наряду с излучением существенную роль играет вещество.

Солнце испускает излучение, которое можно с помощью призмы разложить на составные части. Таким образом можно получить непрерывный спектр Солнца. Между обоими концами видимого спектра представлена любая из промежуточных длин волн. Возьмем другой пример. Раньше уже было упомянуто, что раскаленный натрий испускает однородный свет, свет одного цвета или одной длины волны. Если раскаленный натрий поместить перед призмой, то мы увидим только одну желтую линию. Вообще же, если излучающее тело поместить перед призмой, то свет, который оно испускает, разбивается на составные части и дает спектр, характерный лишь для данного излучающего тела.

Разряд электричества в трубке, наполненной газом, создает источник света, подобный тому, какой мы видим в неоновых трубках, употребляемых для световых реклам. Представим себе, что такая трубка помещена перед спектроскопом. Спектроскоп — это прибор, который действует аналогично призме, но с гораздо большей точностью и чувствительностью; он разлагает свет на компоненты, т. е. анализирует его. Солнечный свет, видимый в спектроскопе, дает непрерывный спектр; в нем представлены все длины волн. Однако, если источником света является газ, сквозь который проходит электрический ток, характер спектра будет другим. Вместо непрерывного многоцветного изображения солнечного спектра теперь на непрерывном темном фоне появляются отдельные светлые полоски или линии (рис. 78). Каждая линия, если она достаточно узка, соответствует определенному цвету или, говоря языком волновой теории, определенной длине волны. Например, если в спектре видны 20 линий, то каждая из них будет обозначаться одним из 20 чисел, выражающих соответствующие длины волн. Пары различных элементов обладают различными системами линий и, стало быть, различными комбинациями чисел, обозначающих длины волн, из которых состоит излучаемый спектр. Не существует двух таких элементов, которые имели бы идентичные системы линий в характеризующих их спектрах, так же как не существует двух таких людей, у которых были бы совершенно идентичные отпечатки пальцев. По мере того как физики составляли каталог этих линий, постепенно становилось очевидным наличие законов и стало возможным таблицы чисел — длин волн, которые представлялись никак между собой не связанными, — связать единой простой математической формулой.

Все только что сказанное можно перевести на язык фотонов. Линии соответствуют определенной длине волны или, другими словами, фотонам с определенной энергией. Следовательно, светящийся газ испускает фотоны, энергия которых является не какой угодно, а лишь характерной для данного вещества. Действительность опять ограничивает изобилие возможностей.

Атом данного элемента, скажем водорода, может испускать только фотоны с определенной энергией. Возможно испускание лишь квантов с определенной энергией, испускание же всех других квантов запрещено. Представим себе простоты ради, что некоторый элемент испускает только одну линию, т. е. фотоны с совершенно определенной энергией. Атом богаче энергией перед излучением и беднее после. Из принципа сохранения энергии следует, что уровень энергии атома выше перед излучением и ниже после и что разность между обоими уровнями должна быть равной энергии излученного фотона. Таким образом, тот факт, что атом определенного элемента испускает излучение лишь одной длины волны, т. е. фотоны лишь определенной энергии, можно выразить еще иначе: в атоме этого элемента возможны лишь два уровня энергии, и излучение фотона соответствует переходу атома с высшего уровня энергии на низший.

Но, как правило, в спектрах элементов оказывается больше одной линии. Излученные фотоны соответствуют многим энергиям, а не только одной. Или, другими словами, мы должны предположить, что в атоме допустимы многие уровни энергии и что испускание фотона соответствует переходу атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Но существенно то, что не каждый уровень энергии дозволен, так как в спектре элемента оказывается не любая длина волны, не любой фотон какой угодно энергии. Вместо того чтобы сказать, что спектру каждого атома принадлежат некоторые определенные линии, некоторые определенные длины волн, мы можем сказать, что каждый атом имеет некоторые определенные энергетические уровни и что испускание светового кванта связано с переходом атома от одного энергетического уровня к другому. Как правило, энергетические уровни не непрерывны, а дискретны. Мы снова видим, что действительность использует не все возможности.