Что такое свет?

Свет — это волна или частица?

Вы считаете, что знаете ответ? Вы уверены? Вы вообще свет видели когда-нибудь?

Да знаю я, знаю. Вы видите свет, иначе бы вы это сейчас не читали. Но видели ли вы когда-либо кусок света? Чтоб в углу тихо лежал, ну или там в воздухе хотя бы висел. Если все же допустить, что свет состоит из частиц или из волн, то какого они размера? Насколько близко нужно к ним подобраться, чтобы их увидеть?

Ответ для самых нетерпеливых

Много лет назад ученым, работавшим со светом, постоянно задавали этот вопрос. Что такое свет — волна или частица?

Такой вот ретро-троллинг. По крайней мере, задававшие вопрос так считали. Они не знали правильного ответа, да он их и не интересовал обычно. Их интересовало то, как ученые будут выкручиваться.

Ученые тоже не знали единственно верного ответа. Даже для таких серьезных людей вопрос был непростым. Он занимал умы лучших физиков в течение нескольких столетий, начиная с Декарта, Гука и Гюйгенса в XVII веке, заканчивая Альбертом Эйншейном и Максом Планком в XIX—XX веках. Привело все это к принципу неопределенности Гейзенберга и теории де Бройля — Бома. Как писал Эйнштейн в 1938 году: «Но что такое свет в действительности? Волна или ливень фотонов? По-видимому, нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий. Положение таково, что мы должны применять иногда одну теорию, а иногда другую, а время от времени и ту и другую. Мы встретились с трудностью нового рода. Налицо две противоречивые картины реальности, но ни одна из них в отдельности не объясняет всех световых явлений, а совместно они их объясняют!»

Так что ученые обычно отвечали: «Да». Или: «И то и другое». Или, если их совсем уж доставали: «Да какая нахрен разница?!» И все эти ответы были правильными.

Рассматривая различные варианты применения света, иногда более продуктивным будет считать его состоящим из частиц — фотонов. Иначе как бы лазер смог разрезать металл или стекло? В других случаях свет лучше рассматривать как волну. Возможность измерения длин волн электромагнитного излучения (в том числе и света) подарила человечеству радио, телевидение, рентгеновские аппараты, приборы ночного видения — и это лишь малая часть. Если б свет не был волной, то как бы он раскладывался в спектр при преломлении, образуя радугу, или фокусировался с помощью линзы?

Большой фотонный коллайдер

Стоп. Какой-такой фотонный? Все же знают, что он адронный!

Ну хорошо, Большой адронный коллайдер. Но появился он в этой статье все равно не случайно. Раз вы меня поправили, то наверняка знаете, что БАК сталкивает между собой летящие со огромной скоростью части ядер атомов — протоны, а совсем не фотоны — частицы света. По крайней мере, в экспериментах с CMS. CMS — это вовсе не то, что вы подумали, а Компактный мюонный соленоид — универсальный детектор элементарных частиц, с помощью которого как раз и наблюдают столкновения протонов. Но что интересно, столкновения фотонов на нем тоже наблюдают. Косвенно и в намного меньших масштабах, чем у протонов, но наблюдают. Даже планируется постройка и установка двух новых специальных сенсоров для этой цели.

Когда протоны летят с огромной скоростью по трубе ускорителя, они испускают фотоны. Эти фотоны не начинают жить самостоятельной жизнью, а продолжают следовать за своими родителями. И когда два пучка протонов направляют для столкновения в специальную камеру, некоторые фотоны также сталкиваются друг с другом. Это видно по реакции породивших их протонов — они продолжают лететь с прежней скоростью, но их траектория немного меняется.

Таким образом, фотоны, «кванты света», являются частицами или во всяком случае ведут себя как частицы. Если бы это было не так, мы бы не смогли наблюдать результаты их столкновений. Так БАК стал еще и БФК.

Но куда делись волны?

Теперь, когда мы увидели, что фотоны, кванты света, являются частицами, значит ли это, что они и есть свет? То есть свет — это просто куча частиц? Типа невообразимо мелких пылинок, которые заполняют всю вселенную, ну или не всю, а куда смогли добраться.

Но мы знаем, что видимый свет является также и волной, так как подвержен рефракции (или преломлению), являющейся свойством волны. Он, как и всякая волна, имеет длину — расстояние между гребнями (или впадинами), которое может быть измерено. По значениям длин волн мы выделяем разные цвета света, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, радиоволны — весь диапазон электромагнитного излучения. Все это распространяется посредством фотонов, но также является волнами.

Раздвоение личности фотона

Ученые даже придумали специальный термин для объяснения возмутительного поведения фотонов: «корпускулярно-волновой дуализм». Это означает, что любая элементарная частица или квантовый объект имеют все признаки как волн, так и частиц. Причем не только фотоны, заметьте, а любая частица.

У фотона есть и другие занятные особенности. Например, он не имеет массы и способен существовать, только двигаясь со скоростью света. Но об этом, пожалуй, как-нибудь в другой раз.

И, наконец, правильный ответ!

Что такое свет? Волна и частица. Сразу. Одновременно.

Бывает, свет ведет себя так, как должна вести себя частица. А бывает — волна-волной, не отличишь. А иногда он проявляет себя и так и этак — одновременно. Потому что он и то и другое.