В школе нам всем рассказывали (на уроках классической оптики) что свет распространяется волнообразно. Однако перейдя в другой кабинет, мы слышали совершенно другое – на уроках классической физики нам говорили о каких-то «фотонах». Или «частицах света». Те, кто сумел поучиться в университете, часто приходил домой с растрёпанными волосами и недоуменным видом. Поскольку в ВУЗах свет описывался и как волновое явление, и как частица одновременно. Но ёлки-моталки! Кто же прав?
Волна или не волна?
Эта проблема существует давно. В 17 веке Исаак Ньютон был одним из первых исследователей, интенсивно занимавшихся оптическими явлениями. И этот знаменитый человек был просто убеждён, что свет состоит из частиц. Его современник Христиан Гюйгенс при этом успешно описал свет как волну. И вовсю использовал свои расчёты для создания волновой оптики. Однако благодаря известности Ньютона в основном предполагалось, что прав именно он. И что свет состоит из частиц.
Лишь в 1802 году Томас Юнг смог показать интерференцию света. А это явление в те времена можно было представить только для волн. Проводя эксперименты учёные наблюдали, что если, например, встречаются два «гребня» двух световых волн, то уровень получившегося после сложения света сигнала увеличивается. А если «гребень» и «впадина» волны встречаются, они компенсируют друг друга. Интерференционная картина, которую наблюдал Юнг, как казалось, неоспоримо доказывала, что свет является волной. И баста.
Чуть позже великий Джеймс Клерк Максвелл создал свою знаменитую теорию электромагнетизма. В ней он предсказал существование электромагнитных волн. И заявил на весь мир, что свет – это тоже электромагнитная волна. Вскоре после этого электромагнитные волны были обнаружены Генрихом Герцем. Казалось бы – все ясно! Но в начале 20-го века появился Альберт Эйнштейн. И нашёл объяснение так называемому фотоэлектрическому эффекту, который работает только в том случае, если свет состоит из частиц. За что учёный и получил Нобелевскую премию.
Все оказалось не просто
Ситуация становилась все более запутанной. И только что созданная квантовая механика не спасла. Некоторые эксперименты показывали, что в каких-то случаях свет ведёт себя как волна. А в других — как частица. Мало того: так происходило не только со светом. Но и с электронами, протонами, нейтронами и другими объектами, которые раньше считались частицами. Потому что они, в конце концов, являются основными строительными блоками материи!
Проблема с материей является в определённом смысле проблемой самого познания. Естествознание всегда ищет лучшие модели, которые могут всё лучше и лучше описывать реальность. Но эти модели не обязательно должны быть идентичны реальности! Многие свойства света можно описать с помощью модели частиц. Другие свойства лучше объяснить с помощью волновой модели. Но из этого не следует, что свет должен быть либо частицей, либо волной. И даже не то, что свет иногда одно, а иногда другое. Что он просто как-то постепенно меняется. Или что это «смесь» того и другого.
Проще говоря: свет — это «что-то», в зависимости от того, как Вы смотрите на это «что-то». Его иногда лучше описать как волну, а иногда лучше как частицу.
Проявление поля
В современной физике (кажущееся) противоречие между волнами и частицами разрешено. Она описывает свет с помощью теории квантовой электродинамики, основанной на концепции полей. Современная наука считает, что нет никаких световых частиц или световых волн. Есть только электромагнитное поле, которое может различными способами изменяться и взаимодействовать с окружающими его другими полями. И то, что мы называем «светом», является лишь одним из проявлений этого поля.
Наверное, это не очень понятно. Но Вселенная вовсе не обязана давать нам понятный и описательный ответ на каждый вопрос. А вопрос «свет — это волна или частица?» как раз такой. На который нам отказывают в ясном ответе.