Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

«Фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна для максимума энергии испускания отрицательно заряженного электрона под действием ультрафиолетового света… не может, по моему мнению, рассматриваться в настоящее время как поддерживаемое какими-либо удовлетворительными теоретическими обоснованиями. Его подтверждение, таким образом, исключительно экспериментальное… В последние годы я исследовал это уравнение с помощью экспериментов с самых разных точек зрения и был вынужден прийти к заключению, что, каким бы не было его происхождение, оно действительно представляет очень точное поведение. для всех веществ, с которыми я работал».

Ворчливое признание Милликеном точности модели Эйнштейна, несмотря на его личные оговорки, достаточно характерно представляют общее мнение ученых в то время. Фотонная модель была слишком далека от классической физики, чтобы ее легко приняли, но она слишком хорошо работала, чтобы можно было ею пренебречь. Со временем корпускулярный взгляд на свет стал более приемлемым, хотя общие усилия найти альтернативное объяснение продолжались до середины 1920-х годов. В чисто техническом смысле неопровержимое экспериментальное доказательство существования фотонов было сделано лишь в 1977 году[65], но с практической точки зрения определение света как частицы было принято как часть квантовой физики в 1930-х или около того. И Эйнштейн, и Милликен достаточно успешно поработали над фотоэлектрическим эффектом. В то время как Эйнштейн наиболее известен за свою теорию относительности, фотоэлектрический эффект оказался единственным конкретным результатом, упомянутым как его заслуга в Нобелевской премии по физике 1921 года[66]. Как мы увидим, это новое понимание природы света расчистило дорогу многим технологиям, которые заняли центральное место в современной жизни.

Фотоэлектрические технологии

Дуальная природа света как частицы и как волны считается одним из классических примеров причудливости квантовой физики – явления с явно противоречивыми свойствами. Очевидно, что в самом фотоэлектрическом эффекте, который относится к корпускулярному свойству (энергия, содержащаяся в одном фотоне) волновой характеристики (частоте света), есть некоторая потенциальная путаница, поскольку это означает, что частица имеет частоту. Даже сегодня физики продолжают спорить о том, каким языком описывать природу света и как лучше преподносить базовые положения.

Как таковая идея фотонов может показаться слишком эксцентричной для использования в повседневной жизни. В действительности же она стала центральной для понимания сущности любой технологии, которая превращает свет в электрический сигнал.

По всеобщему признанию, прибор, который показывает четкую связь с фотоэлектрической физикой, слегка загадочен: известен как «фотоэлектронный умножитель» и состоит из ряда металлических пластин под высоким напряжением (обычно от нескольких сотен до тысяч вольт) между ними. Фотон света, падающий на первую из этих пластин, выбивает один электрон за счет фотоэлектрического эффекта. Высокое напряжение затем ускоряет этот электрон, заставляя двигаться к следующей пластинке, ударяется и выбивает уже несколько (от 10 до 20) электронов[67]. Каждый из них ускоряется, в свою очередь, к следующей пластинке и так далее. В конце фотоумножителя единственный фотон заставляет испустить таким каскадным способом миллионы электронов, производя слабый импульс тока, что можно зарегистрировать. Фотоумножители могут быть крайне чувствительными и способны зарегистрировать отдельный фотон, и они лежат в основе многих экспериментов по исследованию квантовой природы света. Они обычно используются в каких-нибудь устаревших системах, типа «электрический глаз», и сегодня фотоумножительные трубки, в общем, можно встретить только в физических лабораториях.