?

Log in

No account? Create an account

Противоположности и противоречия в физике. Корпускулярно-волновой дуализм - a_gorb — LiveJournal

Feb. 29th, 2012

08:24 pm - Противоположности и противоречия в физике. Корпускулярно-волновой дуализм

Previous Entry Share Flag Next Entry

(Написано и размещено в сообществе dia_logic. Здесь приведено с несущественными изменениями и дополнениями.)

Продолжение.
Механика. Движение и покой
Механика. Масса


Говоря о противоположностях и противоречиях в физике ну никак нельзя обойти корпускулярно-волновой дуализм или единство волны и частицы. Интересно отметить, что слово «противоречие» в статьях (как физических, так и филосфских) посвященных этому вопросу упоминается нередко. Да и сам этот пример часто всплывает в рассуждениях на тему диалектики.


Иногда историю вопроса о природе света упрощенно толкуют в том смысле, что сначала укрепилась корпускулярная точка зрения, потом – волновая, а затем корпускулярно-волновой дуализм. Но это слишком грубо, а потому совершенно неверно.

Начнем со следующего утверждения. До исследований в самом конце 19 века чернотельного излучения (излучения нагретого тела) и фотоэффекта (выбивание электронов с поверхности в результате поглощения света) не было абсолютно никаких экспериментальных данных, которые бы подтверждали, что свет является потоком частиц (корпускул). Как раз наоборот, еще в 1665 г. Гримальди наблюдал явления типично волновые явления дифракции и интерференции, в конце 17 века Гюйгенс строит волновую теорию света, опираясь на принцип, носящий сейчас его имя. Волновой теории света в те времена придерживались Декарт и Гук. Однако в 1672 г. Ньютон открывает явление дисперсии света, т.е. зависимость угла преломления света от его сорта (цвета) и раскладывает белый цвет в радугу. Это явление наиболее легко объясняется тем, что белый свет состоит из носителей разного рода. Через некоторое время Ньютон, исследует явление интерференции (кольца Ньютона), но не дает им приемлемого объяснения. Но Ньютон был человек весьма умный, в своем труде «Оптика или трактат об отражениях, преломлениях и цветах света» 1704 года он пишет: «Мое намерение … – не объяснить свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждением и опытами». Верный этой позиции он в основном для света осторожно использует термин «луч», не слишком углубляясь в то, из чего он состоит. В конце трактата он формулирует множество вопросов о свете, на которые еще не было ответа.

Однако, через сто лет прочно утвердилось мнение, что свет есть поток корпускул. (К сожалению, мне не удалось выяснить, кто конкретно был сторонником и «пропагандистом» этой точки зрения.) Видимо, это связано со следующими причинами. Во-первых, для всех практических нужд конструирования оптических приборов вполне было достаточно представления о свете, как о потоке частиц, который описывался законами геометрической оптики. А во-вторых, и это более важно, любая волна, не обязательно световая, проявляет свойства движущегося тела, т.е. частицы или потока частиц. Так, и волна (при определенных условиях) и частица в свободном состоянии будут распространятся прямолинейно; упруго отражаться по одним и тем же законам; и волна и частица оказывают влияние (передают энергию и импульс) при столкновении с препятствием; волна (при определенных условиях), как и частица, локализована в пространстве; волны, как и поток частиц, могут расходится в разные стороны. Что бы увидеть, что это так, не надо специально изучать физику, а достаточно просто понаблюдать за волнами, например, на воде. Но в 18 веке только-только возникла механика тел, никакой сколько-нибудь разработанной теории волн еще не было. Таким образом, мы видим, что возникновение корпускулярной точки зрения на природу света обязано тому факту, что у волны имеются свойства частиц, т.е. любая волна обладает своеобразным дуализмом.

Разработка теории волн, как ни странно, не способствовало утверждению волновой теории света. В 1808 Малюс исследует и вводит термин поляризация света, который означает, что свет имеет некие поперечные свойства. Однако, это плохо согласуется с продольностью волн в упругой среде (светоносном эфире).

Но с начала 19 века трудами Юнга и Френеля постепенно начинает утверждаться волновая теория света, которая объясняет все как старые, так и новые, экспериментальные данные. С середины века после построения Максвеллом теории электромагнетизма становиться ясно, что свет представляет собой поперечною электромагнитную волну.

К началу 20 века в этом вопросе все как бы уже было выяснено. И как тут не вспомнить слова, которые были сказаны Планку: «Молодой человек, зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь теоретическая физика уже в основном закончена. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?» (Правда, механическую модель эфира, как среды, в которой распространяются поперечные световые волны, так и не удалось создать. Но это другая история.) Но неожиданно возникли проблемы с объяснением некоторых эффектов, связанных с поглощением и испусканием света. Так не удалось построить теорию излучения нагретого тела из имеющихся теоретических представлений (термодинамика, статистическая физика и ЭМ теория Максвелла), и закономерности поглощения света, сопровождающегося выбиванием с поверхности электронов, (фотоэффект) также не имели классического объяснения. В 1900 г. Планк предположил, что свет излучается порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте световой волны, а в 1905 г. Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта тем, что свет и поглощается аналогичными порциями.

После этого начались интенсивные прежде всего теоретические исследования эффектов, к которым приводит гипотеза световых квантов. В частности, Эйнштейном еще в 1917 г. Были установлены теоретические основы работы лазера!

Постепенно сложилась такая ситуация, что «бесконечному количеству опытов, которые, по-видимому, удовлетворительно подтверждали волновую теорию света, противополагались доказательства корпускулярной природы излучения, которые уже нельзя было обойти. … с одной стороны, в многочисленных эффектах проявляется корпускулярная природа света, а с другой, – во всех классических интерференционных опытах волновая теория дает возможность делать правильные предсказания. Делавшиеся в то время попытки понять эту загадочную двойственную природу излучения сводились к тому, что пытались построить модель света, работающую в рамках классических представлений о времени и пространстве и, если возможно, то с классической каузальностью, например, модель квантов энергии, описывающих определенные траектории в смысле классической кинематики и связанных с некоторым интерференционным полем. … эти попытки не привели ни к каким результатам» [Иордан П. Гипотеза световых квантов. Ее развитие и современное состояние. УФН. 1930]

Решение возникшего противоречия оказалось несколько неожиданным. «Проблема совместного объяснения световых квантов и явлений интерференции в значительной мере является кажущейся проблемой, которая находит свое разрешение при простом непредубежденном истолковании фактов. Характерным для этой установки является первое предложение работы Бора-Крамерса-Слэтера: „В попытках теоретически истолковать взаимодействия излучения и материи мы встречаемся с двумя различными точками зрения, кажущимся (подчеркнуто мной – a_gorb) образом противоречащими друг другу". … Методы классической оптики дают нам возможность предсказать определенное распределение интенсивности света на … экране. Если мы представим себе теперь, что источник испускает только один единственный квант света, то из опыта …мы можем заключить только одно: существует известная вероятность того, что этот квант попадет на определенный небольшой участок экрана, и эта вероятность точно определяется освещенностью соответствующего места, вычисленной по классической теории. Новое, установленное Бором, Крамерсом иСлэтером, заключается просто в том, что установлением этого факта можно ограничиться. … Стало быть, – ив этом-то и заключается решительный поворот – от теории ничего большего и нельзя требовать. Этим положением вещей можно удовлетвориться. При этом сами собой отпадают все безнадежные вопросы, как вопрос о „траектории" светового кванта в волновом поле и т. п. Нет никаких оснований приписывать световым квантам траектории в духе классической кинематики.» [Иордан]

В тоже время выясняется, что другие частицы, например, электроны способны вести себя как волны. «Волны ли электроны? На этот вопрос проще всего ответить, задав другой вопрос: волны ли рентгеновские лучи? Если они волны, то и электроны тоже волны. Но теперь мы далеко не так уверены, как раньше, в том, что рентгеновские лучи – волны. Комптоновский и фотоэлектрический эффекты проще всего поддаются описанию, если считать, что рентгеновские лучи в некотором смысле и частицы. Все это несколько парадоксально и неясно. Оказывается, что в некоторых отношениях не только кролики – кошки, но и кошки – кролики. Я не хочу, однако, сказать, что это неясно для всех. Существует много теоретиков, для которых это вовсе не неясно.» [Дэвиссон К. Волны ли электроны?]

Как же можно прояснить эту ситуацию? Тут принципиальным моментом является то, что квантовые объекты не являются ни частицами, ни волнами в классическом смысле этих слов. Т.е. правильно говорить, не то что электрон является волной и частицей, а то, что электрон (как и любой другой квантовый объект) не является ни волной ни частицей. Квантовые объекты «не обычные вещи. Если мы называем электрон частицей, мы очень хорошо знаем, что он совсем не то же, что крупинка песка или цветочная пыльца. Например, при определенных обстоятельствах он не имеет определенной индивидуальности: если электрон выбивают из атома посредством другого электрона, то два улетающих электрона уже невозможно больше различить. Несмотря на это, электрон имеет некоторые свойства, общие с обычной «частицей», что оправдывает его наименование. Такое расширение номенклатуры и в жизни и в естествознании – дело обычное.» [Борн М. Физическая реальность] Вот это «расширение номенклатуры» и надо всегда иметь в виду, рассуждая о корпускулярно-волновом дуализме.

В тоже время, мы не живем в квантовом мире и нашему воображению недоступны свойства квантовых объектов. Поэтому «как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «эксперимент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщить другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики.» [Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном] Таким образом, «Оба толкования природы света являются скорее двумя различными попытками приспособления экспериментальных фактов к нашим обычным воззрениям, в этих попытках находит себе взаимно дополняющее выражение ограниченность классических понятий..» [Бор Н. Квантовый постулат и новое развитие атомистики]

Таким образом, квантовый объект недоступен нашему воображению, но вполне доступен математическому описанию. Продолжая аналогию с монеткой, можно сказать, что квантовый объект не имеет для нас собственного вида, но в зависимости от условия показывает себя то с одной (похоже на частицу), то с другой (похоже на волну) стороны. В этом смысле и можно говорить о корпускулярно-волновом дуализме.

Третье значение слов «корпускулярно-волновом дуализм» заключается в том, что свойства квантовых объектов таковы, что на макроскопическом уровне они способны порождать как классически волны, так и классические частицы. Причем, классические частицы формируются за счет «хитрого» взаимодействия квантовых волн. Причем интересно отметить, что эксперименты конца 20 века показали, что возможны не только макроскопические частицы вещества и волны ЭМ поля, но и макроскопические волны вещества. [Кеттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. Бозе-эйнштейновская конденсация и атомный лазер. Нобелевская лекция. 2001 г.]

Таким образом, в понятии «корпускулярно волновой дуализм» отражено решение противоречия, возникшего в физике начала 20 века, которое заключается в следующем.
1) Квантовые объекты не являются частицами и волнами в классическом смысле. (Т.е. электрон (или фотон) не частица и не волна!)
2) Свойства квантовых объектов чем-то похожи на свойства классических частиц и волн.
3) Классические частицы и волны со всеми их свойствами сформированы (порождены) квантовыми объектами (как правило в большом количестве), поэтому их свойства следуют из свойств квантовых объектов.

Comments:

[User Picture]
From:rezerved
Date:December 28th, 2015 01:54 am (UTC)
(Link)
Вообще-то, для обоснования утверждения "возможны макроскопические волны вещества" каких-то особых экспериментов не нужно, достаточно щёлкнуть пальцем по кастрюльке с водой.
(Reply) (Thread)