Про эту вашу физику

Напомним: фотоэффект (одним из следствий которого является получение фотографий на пленке) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя — фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон зачем-то обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии («стреляем» синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись снова отказываться от волновой природы света — сколько можно менять мнение, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей дилеммой: так все-таки свет — это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота — и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет — просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный — маленькая частота, фиолетовый — большая частота.

Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома — как такая «штука» влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Хотя, если фотон — это частица, сопоставимая по размерам с атомом, то вопросов нет. И что получается: фотон одновременно и большой и маленький?

Фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет — все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам. Если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет — это одновременно и волна, и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи. Все наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени от реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень от цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны — прямоугольную фигуру. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет — это волна, то объяснить отражение в окне просто — подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет — это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Все фотоны одинаковы, и поэтому преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все отражаются. В суровой реальности нашего мира часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом, но тут же наблюдаем свое отражение.

Единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон — столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики — совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину).

Похоже, что там, на фундаментальных уровнях мироздания, вселенной управляет идеальный генератор случайных чисел в отличие, скажем, от монетки, результат подбрасывания которой теоретически можно предсказать.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что «Бог не играет в кости», мол, должны быть причинно-следственные связи для выбора частицей своего состояния. Но современная наука все ответственнее подтверждает: таки играет. Хотя, конечно, можно пофилософствовать и предположить, что некий сверхразум наблюдает за каждым фотоном и решает, как ему сталкиваться со стеклом. Проверить эту гипотезу мы не можем, но есть одно косвенное доказательство, портящее идеалистическую картину. Дело в том, что в квантовых опытах фотон выбирает свою траекторию с вероятностью 50 %. Всегда. А это, как минимум, означает, что сверхразум не заинтересован в предопределенности событий и не склоняется ни в чью пользу. И тогда он опять неотличим от генератора случайных чисел.

Так или иначе, но как-то раз ученые собрались поставить жирную точку в споре «волна или частица» и решили воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем «лазеры»), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.