2. Природа фотона
Поучительный опыт
Предыдущие опыты показывают, что природа света не сильно изменилась: это электромагнитная волна, которая распространяется. Единственной несколько любопытной новостью является то, что свет может излучаться или поглощаться только в виде определенных «порций энергии», которые ошибочно называют «фотонами».
Чтобы лучше понять революцию, которую совершила квантовая физика, мы сейчас представим один из самых невероятных основополагающих опытов этой «новой» физики.
Этот опыт целиком повторяет опыт с интерференцией Юнга, рассмотренный в главе 20. То есть речь идет о лампе, которая распространяет свет во всех направлениях с определенной длиной волны (допустим, красный свет); чуть дальше мы установили экран, в котором просверлены два маленьких отверстия (➙ рис. 22.2).
Из-за дифракции свет, пройдя через отверстия, распространяется во всех направлениях по ту сторону экрана. Мы наблюдаем результат на стене позади: на ней видно чередование светлых и темных полос, образовавшихся из-за наложения двух волн, прошедших через два отверстия (рис. 22.2 позволяет наглядно изобразить то, что происходит). Назовем это «опыт 1».
Рис. 22.2 – Опыт Юнга
Затем предположим, что стена позади экрана снабжена улавливателями, способными поглощать и распознавать малейший световой фрагмент.
Уменьшим яркость лампы: световая интенсивность интерференции также понизилась. Но в наших силах настолько понизить яркость лампы, что она будет испускать свет фотон за фотоном («капля за каплей»): что же происходит в этом случае (назовем это «опыт 2»)?
Фотон такая же волна, как другие, просто его энергия самая минимальная из всех, которые можно получить. Волна, идущая от лампы, рассеянная во всех направлениях, вступает в контакт с просверленным экраном. По ту сторону, на уровне двух отверстий, эта волна рассеивается во всех направлениях благодаря явлению дифракции: в данный момент происходит то же самое, что и при большой яркости света. Мы видим, что фотон проходит сразу через два отверстия в экране: в этом нет ничего удивительного, поскольку это волна. Справа от экрана один фотон теперь стал совокупностью двух волн, вышедших из отверстий.
Что произойдет, когда эти две волны достигнут стены позади экрана? Поглощение света в определенной точке стены может произойти только квантом, то есть с помощью фотонов. Однако у нас всего один фотон: то есть его может поглотить всего один атом стены. Таким образом, фотон сможет поглотиться со всей своей энергией, но одной-единственной точкой стены: мы увидим появление точки на стене. Именно это мы и наблюдаем при проведении опыта.
И вот ошеломляющий результат: волна, которая распространялась по всему пространству мгновение назад, внезапно сконцентрировалась в одной-единственной точке пространства в момент взаимодействия с материей, чтобы образовать световую точку, которую мы наблюдаем. Все происходит так, словно вместо волны была точечная частица, которая достигла стены в определенном месте. Каким же образом волна, которая распространялась всюду в пространстве, может мгновенно сконцентрироваться в единой точке на стене, унося с собой всю свою энергию?
Феномен становится еще более невероятным, если мы представим волну, которая распространяется на миллиарды километров: как только она встречает материю, то мгновенно концентрируется в одной-единственной точке. Электромагнитное поле волны, которая распространялась на миллиарды километров, внезапно концентрируется в единой точке, как будто эти миллиарды километров ничего не значат.
Об этом факте писали многие ученые, и по сей день не утихают споры о том, как это объяснить. При этом опыте само понятие пространства, кажется, утрачивает свой смысл. Перед нами явление, которое, как кажется, не принадлежит к «земной» физике: электромагнитное поле волны мгновенно меняет местоположение в момент, когда оно концентрируется без всякого перемещения в пространстве (если бы перемещение было, оно произошло бы максимально со скоростью света и не мгновенно).
Корпускулярно-волновой дуализм
Опыт Юнга: продолжение и конец…
Вернемся к опыту Юнга. Читатель, возможно, подумает, что мы совершили грубую ошибку, рассматривая фотон целиком как волну: если стена освещена в единственной точке, значит, именно в этой точке ее достигла точечная частица, а не волна, рассеянная по всему пространству. То есть фотон – это корпускула, прошедшая определенный путь до того, как коснулась стены.
Однако это не так, и продолжение опыта позволит в этом убедиться. Опыт 2 показывает, что точка касания фотона не случайна: она имела место там, где находилась светлая полоса, когда мы наблюдали интерференцию с более ярким светом во время опыта 1.
Отправим теперь много фотонов один за другим и посмотрим их последовательные точки касания: они показались бы довольно хаотичными, если бы каждый раз это не были зоны светлых полос из опыта 1.
Предположим, что точки касания остаются постоянно «освещенными» после контакта, и пошлем большое число фотонов друг за другом: мало-помалу мы увидим новое появление светлых и темных полос интерференции из опыта 1.
Если бы фотоны были точечными частицами, они проходили бы или через отверстие сверху, или через отверстие снизу. Между тем интерференция возникает из-за наложения двух волн, одновременно прошедших через два отверстия: таким образом, интерференция невозможна, если свет выбирает одно отверстие, не проходя одновременно через другое. Поскольку мы вызываем интерференцию, эмитируя фотоны один за другим, это значит, что каждый фотон проходит сразу через два отверстия: фотон является волной, а не точечной частицей.
Двойственная природа фотона
В конечном итоге этот опыт позволяет сделать поразительный вывод относительно природы света. В том, что касается распространения, речь идет об электромагнитной волне, о которой мы говорили в предыдущих главах. Но когда дело касается излучения или поглощения, свет внезапно начинает вести себя как совокупность точечных частиц, называемых фотонами. Поглощение этих частиц происходит в хаотично расположенных точках, вероятность расположения каждой из них разная.
Речь идет о корпускулярно-волновом дуализме: фотон является волной, которая концентрируется в точечной частице, как только мы стремимся ее визуализировать (например, установив за экраном стену). Очевидно, что волновую ипостась фотона наблюдать невозможно, поскольку волна исчезает сразу, как только мы пытаемся ее увидеть: волновая природа фотона может быть выявлена лишь косвенно (например, с помощью опыта интерференции Юнга).
При обычной световой яркости существует столько наложенных друг на друга фотонов, что все точки стены заполнены ими одновременно: материя кажется освещенной постоянно, и в этом случае свет является традиционной волной. По этой причине мы смогли посвятить оптике целых три главы, не упоминая о фотонах.
Вторжение случайности
Бог играет в кости…
Опыт, который мы только что описали, позволяет выделить другое центральное понятие квантовой физики: контакт света со стеной выглядит абсолютно хаотичным. Невозможно заранее предвидеть, в какой точке состоится контакт. Мы можем лишь сказать, что есть больше шансов, что фотон попадет в светлую зону из опыта 1, нежели в темную. Иначе говоря, мы можем рассуждать только о вероятностях: для каждого места на стене можно определить вероятность взаимодействия фотона с атомом. Но место реального контакта не станет от этого более предсказуемым.
Эта непредсказуемость происходит не из-за недостатка информации у наблюдателя, как происходит, когда мы хотим предсказать погоду, которая будет через месяц. Наоборот. Она свойственна законам природы: квантовая физика (то есть природа!) не является детерминистской, что означает, что прекрасное знание Вселенной в определенный момент не позволяет знать, какой она будет через десять секунд. Существует множество вариантов возможного будущего: у каждого будущего своя степень вероятности, которую можно подсчитать, но это еще не будет наиболее вероятным будущим, которое произойдет.
Это отсутствие детерминизма серьезно подрывает наш традиционный образ мыслей: почему фотон выбирает эту точку касания, а не другую, если нет никаких физических причин для основания этого выбора? Для двух физически идентичных ситуаций в любой точке фотон сейчас может выбрать одну точку касания, а в другой раз другую.
Такая перспектива возмущала Эйнштейна, который воскликнул: «Бог не играет в кости!» Существует ли нечто такое, что заставляет фотон поглощаться именно в этом месте, а не в другом? Опыт, однако, показывает, что выбор представляется абсолютно случайным: выбор есть, но нет причины его объяснять.
Странности квантовой физики: обобщение
Подведем итоги нескольких самых ошеломляющих выводов:
• Волна фотона исчезает, как только мы пытаемся ее обнаружить, что делает абсолютно невозможным наблюдение за этой волной, несмотря на ее бесспорную реальность. То есть фотон является волной, пока он не обнаружен, но предстает точечной частицей, как только на него обращают внимание. Таким образом, квантовая физика вводит понятие корпускулярно-волнового дуализма.
• Во время попытки обнаружения волна мгновенно исчезает целиком, какова бы ни была ее пространственная протяженность. Это происходит, даже если обнаружение осуществляется на расстоянии нескольких световых лет: событие касается одновременно всего пространства, заполненного волной. Квантовая физика не привязана к месту.
• Обнаружение происходит в случайной точке: никакая причина не позволяет объяснить место касания, выбранное фотоном. Может быть вычислена лишь его вероятность. Квантовая физика не является детерминистской.
И СНОВА О ПАРНИКОВОМ ЭФФЕКТЕ
Теперь мы можем понять все действующие силы парникового эффекта, уже упомянутые в главе 21. Сядем в машину: мы видим солнечный свет, проникающий внутрь, потому что в области видимого света стекло является прозрачным. Внутренность машины и наше собственное тело поглощают большое количество света, особенно если цвета черные: прочий свет отражается обратно наружу.
Где есть поглощение, там повышается энергия: салон машины начинает нагреваться. При обычных температурах объекты испускают инфракрасные волны: чем сильнее они нагреваются, тем интенсивнее излучение. Излучая эти волны, объекты снова теряют энергию, то есть вновь охлаждаются. Мы видим, что существует естественный баланс, который создается между видимым светом солнца, который нас нагревает, и излучаемым нами инфракрасным светом, который нас охлаждает.
Но стекло задерживает инфракрасное излучение: в машине никакое излучение энергии невозможно, и баланс нарушается. Мы только нагреваемся из-за видимого света солнца и не можем охладиться, выпустив инфракрасные волны. Температура внутри машины может подняться довольно высоко.
Стекло, в частности, состоит из диоксида кремния SiO2, именно эта молекула вызывает поглощение света в инфракрасной зоне. Молекула, которая больше всего на нее похожа, – CO2 (диоксид углерода), про который каждый знает, что он также задерживает инфракрасные лучи и образует газ с парниковым эффектом. Конечно, концентрацию CO2 в атмосфере не сравнить с содержанием SiO2 в стекле, зато толщина атмосферы гораздо выше толщины стекла… Процент содержания CO2 в атмосфере является критическим параметром для температуры на Земле.
