The Question
июль 2015.
6411

На уроках физики в школе говорят, что фотон — это одновременно частица и волна, что это значит?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
8
4 ответа
Поделиться

Объяснение на пальцах:

И то, и другое в отношении фотона является полезной абстракцией.

Поскольку фотон совершенно не доступен для освоения органами чувств человека, нам остается для удобства сравнивать его с понятными нам объектами: частицей и волной. Причем сравнением его с волной мы объясняем одни его свойства, а сравнением с частицей - другие.

Это похоже на то, как музыкальные критики, улавливая в музыке признаки двух разных жанров, выдумывают новый жанр, типа "acid jazz" или "pop rock".

Кстати, это все относится не только к фотонам. С подобными проблемами сталкиваются ученые, когда пытаются описать и другие очень маленькие объекты - электроны, протоны и так далее. Мы тоже ведь наверняка представляем себе электрон как маленький-маленький шарик, потому что нам так проще. На самом деле, электрон - тоже немного волна.

В 20-м веке ученые более-менее поставили крест на том, чтобы описать реальность на микроуровне с помощью понятных аналогий из реального мира, и перешли к заметным абстракциям, в которых уже совсем не важно, о чем идет речь, о волне или частице. Квантовая механика оперирует чем-то третьим.

Одновременное проявление свойств частицы и волны называется корпускулярно-волновым дуализмом (от латинского «корпускулум» – частица). Строго говоря, корпускулярно-волновым дуализмом в квантовой механике обладает не только фотон, но и вообще любая элементарная частица: например, электрон или протон.

В чем же проявляется эта двоякость? Фотон – это квант света. А видимый нами свет есть не что иное, как электромагнитная волна, по своей природе ни чем не отличающаяся от волн, используемых в радиовещании. Разница только в длине этой волны: видимые нами (оптические) волны гораздо более «короткие», чем волны радиодиапазона. Свойства света как волны проявляются во множестве эффектов, из которых самыми наглядными являются дифракция (огибание волной объекта) и интерференция (наложение нескольких волн). Например, если посмотреть на поверхность DVD диска, можно увидеть, что в ней отражается «радуга». Эта «радуга» – спектральное разложение белого света — и является результатом интерференции волн различной длины, рассеивающихся на микроскопических полосках, которые наносятся на поверхность диска.

Однако есть ряд явлений, для понимания которых представления о свете как о волне недостаточно. Для описания одного их таких явлений – возникновения электрического тока при освещении металла – Альберт Эйнштейн предложил рассматривать свет как поток фотонов – частиц с определенной энергией (впоследствии за объяснение этого эффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию). Такая «корпускулярная» интерпретация позволяет легко объяснить, почему свет с определенной длиной волны (и соответствующей ей энергией фотона) поглощается металлом, а свет с другой длиной волны – нет.

Стоит отметить, что обе интерпретации – и волновая, и корпускулярная – являются попытками привязать классические представления к квантовым объектам, поэтому стоит рассматривать каждую из этих интерпретаций лишь как некоторое приближение. Использование сложного математического аппарата в современной квантовой теории позволяет вообще избежать понятий «частица» и «волна».

Важное замечание: "одновременно" не подразумевает "в один момент времени", а означает "обладает свойствами как волны, так и частицы".

Представление элементарной частицы как шарика - это большая условность, поскольку органами чувств ее "прям так" воспринять нельзя. Эта концепция позволяет нам удобнее оперировать с подобными объектами.

Про обладание свойствами: получается так, что любая элементарная частица (будь то протон, электрон и т.п.) в одних экспериментах показывает свойства волны, а в других - частицы.

Например, совершенно неинтуитивное волновое поведение проявляется в знаменитом эксперименте с пропусканием одиночных фотонов через две щели, в результате чего волна проходит через оба отверстия и затем, на экране, фотон как бы интерферирует сам с собой.

С другой стороны, эффект Комптона и фотоэффект демонстрируют, что фотон ведет себя "как шарик", по-классически.

Показать ещё 1 ответ
Ответить