[Вернуться к содержанию сайта]

СВЕТ – ЧАСТИЦА ЛИ?
(статья, опубликованная в журнале "Инженер" №6, 2006)

Год назад в статье "Электрон – волна ли?" был затронут вопрос о волновых свойствах частиц. Теперь пришла пора обсудить корпускулярные свойства света, этого типично волнового процесса, и показать, что волна не может быть частицей, так же как частица – волной. Минуточку, спросит читатель, не автор ли расписывал недавно достоинства баллистической теории Ритца (БТР), согласно которой свет – это поток частиц-реонов? Теперь же, оказывается, свет уже не частица? Вот именно! Одна частица это ещё не свет, так же как один, два и даже три ореха это ещё не куча. Согласно БТР свет – это волна, несомая со световой скоростью потоком из множества реонов (рис. 1). Но как в таком случае объяснить существование фотонов – частиц, каждая из которых может и сама по себе рождать ощущение света? Ниже будет показано, что представление о фотонах возникло в результате ошибки.

Как известно, история фотонов началась с открытия Максом Планком квантов излучения. Впрочем, сам Планк отнюдь не считал, что в процессе излучения и поглощения атомами квантов энергии возникают и исчезают какие-то частицы, зёрна света, фотоны. Он лишь говорил, что атомы выдают электромагнитную энергию дозированно, стандартными порциями. Но было бы глупо считать, что и распространяется свет, будучи собран в эти порции. Это всё равно как думать, что при излучении одинаковыми радиопередатчиками стандартных по энергии импульсов "точек" и "тире" эти импульсы распространяются в виде частиц, в виде отдельных "тире" и "точек", собранных каждая в своей точке пространства. Ясно, что импульс радиоизлучения расходится сразу во всех направлениях в виде сплошной волны.

Следующий "квантовый заскок" в представлении о свете как о фотонах произошёл с выходом в 1905 г. работы Эйнштейна о фотоэффекте и световых квантах. Ф. Ленард, изучая фотоэффект, обнаружил, что в этом процессе "вырывания" светом электронов из поверхности металла, скорость V вылета электронов зависит не от интенсивности, а от частоты f выбившего их света. На основании этого Эйнштейн заключил, что световая энергия не только при взаимодействии с атомами, но и во всех других процессах излучается и поглощается только порциями, квантами. Так, электрон массой m, поглощая свет, приобретает энергию mV²/2= hf одного кванта (h – постоянная Планка). Однако и Эйнштейн совсем не считал эти кванты реальными частицами, фотонами, в виде которых распространяется свет. Напротив, он часто говорил: "Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте". Это значило: выпуск и поглощение света порциями ещё не доказывает, что свет состоит из квантов.

Следующим пришёл Бор, который процесс излучения и поглощения атомом света уже не связывал с колебаниями в нём электрона, а значит и с электромагнитными волнами. Бор просто принял, что электрон скачком меняет свою энергию, отдавая или поглощая её разницу в виде кванта света. Всё это вкупе с отказом от эфира постепенно привело к мысли, что свет – это не простая электромагнитная волна, но частица, фотон, в форме которого свет не только излучается и поглощается, но и распространяется. В то же время никто не думал отрицать, что свет – это волна. Так в физику вошло осмеянное Дж. Оруэллом в романе "1984" двоемыслие, скрытое в физике под серьёзным научным термином "корпускулярно-волновой дуализм". Согласно ему всякую волну надо одновременно считать частицей и наоборот, делая вид, словно на самом деле тут нет противоречия. И хотя Планк, Эйнштейн, а поначалу и Бор, как истинные родители квантовой физики всегда боролись с этим позорным для науки развращением их детища, такая точка зрения в итоге стала преобладающей.

Так волна или частица всё же свет? Как следует из замечательной книги о природе света [1], этому вопросу уже сотни лет. Пожалуй, первый им задался И. Ньютон. Не зря наш известный физик С.И. Вавилов счёл идеи Ньютона столь актуальными, что перевёл на русский его трактат по оптике [2]. Из него видно, что Ньютон ещё в XVII веке пытался совместить волновые и корпускулярные представления о свете, но без обманного дуализма. Он допускал, что свет, распространяясь в виде корпускул, создаёт их ударами колебания атомов среды, испускающих новые корпускулы [2, с. 282]. Это роднит взгляды Ньютона с электронной теорией Лоренца в представлении Ритца. Ведь согласно Ритцу колебания электронов создают переменный по силе и направлению поток частиц (рис. 1), удары которых заставляют колебаться другие электроны, создающие в свою очередь вторичные волны, потоки реонов. Более того, по верному замечанию Вавилова уже древние атомисты – Демокрит, Эпикур, Кар представляли свет в виде последовательных волновых фронтов, переносимых потоком мельчайших частиц, с огромной скоростью источаемых предметами. А последователи атомистов – Ньютон и Ломоносов, предугадали даже открытие электронов, когда говорили об атомах среды, колеблющихся под воздействием света и передающих дальше, источающих его.

Но если, следуя классикам, считать свет всего лишь волной, переносимой частицами, то как объяснить квантование света? На самом деле в излучении и поглощении света стандартными порциями нет ничего странного. Вполне естественно, что похожие, как две капли воды, атомы будут и энергию излучать одинаковыми порциями, словно рассмотренные выше радиопередатчики. Видно, так уж устроены атомы, что, подобно радиотелеграфу, они излучают лишь дискретный ряд энергий и, подобно радиостанциям, в дискретном диапазоне частот. Этот внутренний механизм атома пытались вскрыть многие учёные. Наибольшего успеха в этом добился Лоренц и непревзойдённый мастер создания моделей Вальтер Ритц [3]. Некоторые из предложенных им атомных механизмов позволили не только объяснить прерывистый характер излучения атома, но и найти весь ряд частот, генерируемых им. В этих моделях не было фотонов: свет создавался только колебаниями электронов. Поиск таких моделей продолжается. Придёт время – и устройство атомного излучателя будет понято.

Но это, что касается излучения атомов, а корпускулярные свойства света выявлены и в массе других явлений, например, в том же фотоэффекте. Теоретически свет, будучи электромагнитной волной, мог бы, заставив электрон колебаться, придать ему скорость и "выбить" из металла. Но в таком случае неясно, почему скорость электрона совершенно не зависит от яркости света, определяясь лишь его частотой. Кроме того, в опытах выяснилось, что энергия вылетевшего электрона нередко больше энергии поглощённого им света, словно энергию электрону передала не распределённая в пространстве волна, а именно фотон, в малом пространстве аккумулирующий всю энергию волны [4]. Вот и решили, что только фотонам по плечу вышибать электроны, потому-то их энергия и зависит лишь от частоты света.

И всё же фотоэффект можно объяснить без всяких фотонов и квантов света. Интересен в этом смысле взгляд на фотоэффект отца квантовой физики Макса Планка: "Естественно предположить, что источник энергии отрывающихся от металла электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле. Что касается лучей, они лишь освобождают её, служат своего рода запалом – ведь одной искры бывает довольно, чтобы взорвать бочонок с порохом..." [1, с. 143]. Устами классика глаголет истина, ибо в этом, видимо, и заключена разгадка фотоэффекта. В самом деле, учёные признают, что фотоэффект возможен лишь в металле: никто ещё не наблюдал аналогичного фотоэффекту действия света на одиночный электрон в вакууме. А раз энергию электрону даёт металл, то даже слабый свет, давя на спусковой крючок, способен высвободить электроны с огромной энергией, не зависящей от яркости.

Но где же источник этой скрытой энергии? Вероятно, в атоме. На эту мысль наводит явление внутреннего фотоэффекта – процесса, в котором связанные электроны полупроводника, оторвавшись под действием света от атомов, уже не покидают его поверхность, но свободно движутся внутри, снижая сопротивление. На этом явлении основана вся фотоэлектроника: все цифровые фотоаппараты, сканеры и видеокамеры. Так вот, похоже, и при внешнем фотоэффекте происходит в действительности не что иное, как вылет электронов из атомов (рис. 2). А электрон в атоме, двигаясь по своей орбите, уже изначально обладает энергией и скоростью. Всё что остаётся сделать свету – это снять электрон с орбиты. Тогда тот, словно камень, сорвавшийся с пращи, вылетит из атома, сохранив орбитальную скорость V.

То, что электроны обладают энергией с самого начала, неопровержимо доказывает один малоизвестный, а возможно, и намеренно замалчиваемый эффект, открытый ещё А.Г. Столетовым, родным отцом фотоэффекта. Столетов обнаружил, что при длительном облучении металла, тот как бы устаёт – выход электронов постепенно уменьшается и может совсем сойти на нет, хотя сила света не менялась [5, с. 385, 392]. Как же так – свет есть, электроны есть, а фотоэффект ослабевает? Квантовая физика объяснить этого не может. Но если электроны получают энергию не от света, а обладают ей изначально, то такое явление вполне закономерно, ибо с течением времени источник энергии истощается. Всё меньше остаётся способных "выстрелить" атомов, "заряженных" готовыми сорваться электронами – вот и слабеет фототок. То же явление "утомляемости" обнаружилось у внутреннего фотоэффекта. С этим его проявлением знаком каждый, кто по неосторожности подверг фотоматрицу видеокамеры или "цифровика" действию слишком яркого света, отчего работа фотоэлементов матрицы ненадолго нарушилась. Подобно слепнущему на ярком свету человеку, временно "слепнет" и фотоприбор: картинка искажается "шумами", "мурашками" (эту аналогию фотоэлемента и глаза отмечала ещё С.В. Ковалевская, наш замечательный математик и физик, см. о ней книгу П.Я. Кочиной, с.84.) В момент вспышки атомы вещества выбрасывают весь свой запас фотоэлектронов, и должно пройти некоторое время, прежде чем он восстановится.

Вполне закономерно и то, что свет заданной частоты выбивает из атомов электроны со строго определённой скоростью. Свет представляет собой переменное электромагнитное поле, эффективно воздействующее на электрон лишь в том случае, если частота света f, с которой меняется поле, совпадает с частотой f обращения электрона по орбите (так и на качелях для раскачки надо махать ногами в такт качаниям). Атом можно уподобить циклотрону, в котором для ускорения электрона нужно переменное поле синхронное с круговым движением частицы (рис. 3). От такого воздействия электрон сходит с устойчивой орбиты и вылетает из атома, сохранив орбитальную скорость. Понятно, что эта его скорость V тем больше, чем выше была частота обращения, равная частоте f выбившего электрон света: mV²/2= hf.

Таким образом, фотоэффект вполне объясним в рамках классических представлений. Не составит большого труда объяснить и другой квантовый эффект – явление Комптона, которое принято считать неопровержимым доказательством фотонной теории. Суть его в том, что рентгеновские лучи претерпевают на электронах так называемое комптоновское рассеяние (рис. 4). Причём, в отличие от обычного рассеяния, длины волн падающего λ₀ и рассеянного λ' излучения не совпадают, а их разница жёстко связана с углом рассеяния θ соотношением λ'–λ₀= 2λ_кsin²(θ/2), где λ_к – комптоновская длина, для электрона равная h/mc= 2,4·10^–12 метра [4]. Кроме того, как показали опыты, электрон в процессе рассеяния испытывает отдачу, приобретая скорость, направленную под таким углом φ к падающему лучу, что tgφ= ctg(θ/2)/(1+λ_к/λ₀). Всё выглядит так, словно не волна рассеивается на электроне, а с ним упруго сталкивается частица, фотон, передающий электрону часть своего импульса и энергии.

Как и в фотоэффекте, в комптоновском скорость и энергия электрона часто превосходят те, которые ему могла бы сообщить волна в момент облучения [4]. Видно, и здесь луч не отдаёт электронам энергию, но лишь высвобождает электроны, изначально обладавшие скоростью в атомах. Поэтому никто ещё не смог наблюдать комптоновское рассеяние на свободных электронах. Учёные признают, что его дают только электроны атомов, но полагают, что атом, испустивший электрон, – это лишь досадная помеха и электроны в нём можно рассматривать как свободные. На самом же деле без участия атомов комптон-эффект был бы вообще невозможен, его никто и никогда не сможет наблюдать у свободных электронов. Так, в случае обратного комптон-эффекта, когда уже действительно свободно летящий электрон не поглощает, а, напротив, отдаёт энергию свету, имеет место лишь классическое рассеяние (см. малую энциклопедию "Физика космоса" – М., 1986., с. 312). Далее покажем, что и прямое комптоновское рассеяние имеет чисто классические причины.

Пусть электромагнитная волна частоты f₀, падая на атом, "вырывает" из него электрон, имеющий, как показывает фотоэффект, энергию mV²/2= hf₀. Угол φ вылета электрона может оказаться любым. Падающая волна заставит этот свободно летящий со скоростью V электрон колебаться, но в силу эффекта Доплера с частотой f = f₀(1+Vcosφ/c) отличной от f₀ (рис. 5). Вибрирующий электрон излучает вторичные волны, частота прихода f' которых в некотором направлении θ отлична от частоты их испускания f: из эффекта Доплера f'=f(1+Vcos(φ+θ)/c)= f₀(1+Vcosφ/c)(1+Vcos(φ+θ)/c). Кроме того, падающая волна заставит колебаться и излучать с частотой f₀ электроны, оставшиеся в атоме. Эти две волны от атома и свободного электрона интерферируют, но правильно сложиться не могут, поскольку их частоты f₀ и f' не совпадают. Во всех направлениях эти две волны сложатся беспорядочно, создав "белый шум" – излучение без определённой длины волны. И лишь в том направлении θ, для которого f₀= f'= f₀(1+Vcosφ/c)(1+Vcos(φ+θ)/c), волны интерферируют, откуда cosφ= –cos(φ+θ), и φ= 90°- θ/2.

Подставляя значение φ, найдём, что лучи, идущие в направлении θ, имеют частоту f'= f₀(1–Vsin(θ/2)/c)(1+Vsin(θ/2)/c)=f₀(1–sin²(θ/2)V²/c²) и длину волны λ'= с/f'= λ₀+ λ₀sin²(θ/2)V²/c². Учтя же, что для излучения, выбившего электрон, λ₀=c/f₀= 2hc/mV², найдём λ'= λ₀+ sin²(θ/2)2h/mc. То есть пришли к проверенной опытом формуле λ'–λ₀= 2λ_кsin²(θ/2), где λ_к= h/mc. Также приходим к правильному соотношению углов рассеяния и отдачи, ибо если φ =90°- θ/2, то tgφ = ctg(θ/2). Это довольно точно совпадает с опытно проверенной зависимостью tgφ = ctg(θ/2)/(1+λ_к/λ₀), поскольку λ_к обычно много меньше длины волны λ₀ рентгеновского излучения, диапазон которого простирается от 10^–7 до 10^–12 метра. Лишь для самых жёстких рентгеновских лучей величина (1+λ_к/λ₀) будет заметно отличаться от единицы. Но тогда надо соответственно уточнить и наш приближённый расчёт, ибо при сопоставимости λ_к= h/mc и λ₀=2ch/mV² скорость V электрона становится сравнимой со скоростью света c.

Итак, фотоэффект и эффект Комптона – эти два главных свидетельства в пользу фотонной теории и корпускулярно-волнового дуализма оказались на поверку не столь безупречными. Напротив, в рамках классического подхода оба они находят простое и не парадоксальное (без корпускулярно-волнового дуализма) объяснение. Но пусть критика фотонной, корпускулярной теории света не заставит читателя впасть в другую крайность и принять представления о свете, как о волнах в среде, эфире. Согласно БТР, свет это и не волна в среде, и не частица, и даже не волно-частица (как в квантовой механике). По Ритцу свет – это волна, переносимая со скоростью света вместе с потоком частиц, как бы "вмороженная" в него. Такая же волна возникает, если дать очередь из автомата, быстро водя им из стороны в сторону: пули образуют в пространстве волнообразную цепочку, движущуюся со скоростью пуль. Именно такую предложенную Ритцем форму распространения света, переносимого частицами, и в то же время обладающего волновыми свойствами, и пытались найти Ньютон, Эйнштейн и Вавилов [2]. Правы были Демокрит, Кар и Ньютон, сумевшие догадаться не только о частицах тел (атомах), но и об источаемых ими светоносных частицах. И частицы эти никакие не фотоны (кванты света), но реоны (зёрна, кванты электрического поля).

Сторонники эфира могут возразить, что в рамках представлений о свете, как о потоке частиц, нельзя объяснить явления дифракции, т.е. огибания светом препятствий. Световая волна, идущая в эфире, могла бы легко обойти экран, создав за ним светлое пятно. Но как это возможно для волны, движущейся прямолинейно с потоком частиц? Впрочем, уже Лоренц показал, что "огибание" светом экрана происходит совсем не так, как обтекание препятствий волнами на воде. Оказывается, свет, падающий на металлический экран, отнюдь не задерживается им: электромагнитные волны (несомые реонами) свободно проходят сквозь него. Откуда же тогда за экраном тень? Электродинамика даёт на это простой ответ. Электромагнитная волна, проходя сквозь металл, заставляет его электроны колебаться. А вибрирующие электроны служат источниками вторичных волн, излучаемых в противофазе с падающей (рис. 6). Эти созданные экраном вторичные волны, интерферируя с прошедшей, гасят её.

Так и возникает тень за экраном. (Иногда так борются и с шумом в аэропортах – не задерживают его, но генерируют шум в противофазе.) При достаточно большой длине волны интерференция испускаемых экраном вторичных волн с падающей создаёт светлое пятно в центре тени и более сложные интерференционные картины (рис. 7). Для этого световому потоку не нужно огибать экран. Об этом говорит любой учебник электродинамики, и всё же в школьной и вузовской программе свет продолжают рассматривать как волну, движущуюся в среде. Вот почему потом многие уже не в силах избавиться от мнимой потребности в неподвижной среде (эфире) для света. Как верно заметил Эйнштейн, уже Лоренц показал полную бесполезность эфира. Опыты же Майкельсона и Троутона-Нобля окончательно рассеяли всякие иллюзии насчёт реальности этой эфемерной субстанции с противоречивыми свойствами.

Итак, гипотеза эфира столь же беспочвенна, сколь и гипотеза фотонов. Пусть пока не все опыты объяснены без привлечения фотонов, зато разрушен миф о всесильности квантмеха и полной беспомощности классической физики в трактовке "чисто квантовых" эффектов. Наверное, теперь недолго уже ждать полного разрешения проблем классической науки. И, думается, именно классический взгляд на "квантовые" явления позволит, наконец, решить такие проблемы физики и техники, как проблема создания солнечных батарей с высоким КПД и высокотемпературных сверхпроводников, где бессильна помочь квантовая механика.

С. Семиков

Литература:

1. Мороз О. Свет озарений. – М.: Знание, 1980.

2. Ньютон И. Оптика. – М.: Техтеоргиз, 1954.

3. Вальтер Ритц и его исследования по теории атомных спектров // УФН, Т. 165, №4, с. 458.

4. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика, ч.1. – М.: Наука, 1986.

5. Болховитинов В. Столетов А.Г. – М.: Молодая гвардия, 1951.

[Вернуться к содержанию сайта]

W