ГЛАВА 25. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ПОЛЯ

§ 161. Фотон

Уже несколько раз указывалось, что излучение и поглощение электрической энергии происходит порциями, квантами. Величина кванта зависит только от частоты излучения и равна где универсальная константа, равная . В настоящее время квантовый характер поглощения и излучения установлен для всего огромного диапазона длин волн электромагнитного спектра, от жестких у-лучей до длинных радиоволн.

Явления поглощения и излучения характеризуют, прежде всего, саму микросистему, взаимодействующую с электромагнитным полем волны. Квантовый характер этих явлений (которые мы в деталях обсудим в доказывает, прежде всего, наличие у микросистемы отдельных энергетических уровней, невозможность для микросистемы обладать произвольной величиной энергии. Сами по себе эти факты не привели бы к мысли о том, что не только веществу, но и электромагнитному полю свойственна квайтовая природа, если бы при взаимодействии с веществом электромагнитная волна не вела себя в ряде случаев, как частица. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения, обнаруживающиеся тем более явно, чем меньше длина волны, проявляются в тех случаях, когда происходят потери и превращения электромагнитной энергии. Эти свойства, наоборот, не проявляются при распространении, рассеянии, дифракции электромагнитных волн, если они не сопровождаются потерей энергии.

Корпускула электромагнитного поля носит название фотона. Фотон характеризуется, прежде всего, величиной своей энергии:

Пользуясь законом эквивалентности массы и энергии, мы имеем право приписать фотону массу

Так как электромагнитное поле распространяется со скоростью с, то приходится допустить, имея в виду формулу что масса покоя фотона равна нулю. Считая, что понятие импульса применимо к фотону, мы можем положить

Напомним, что опыты Лебедева (стр. 287) непосредственно доказали справедливость для света соотношения между плотностью импульса и плотностью энергии электромагнитной волны. Формула импульса фотона превосходно согласуется с этим выводом.

Значения фотонов различных типов электромагнитного излучения

(см. скан)

Как будет видно из следующих параграфов, существование фотонов убедительно доказывается многочисленными экспериментами. В то же время огромный опытный материал не позволяет нам отказаться от представления о непрерывности электромагнитного поля. Наиболее яркие противоречия возникают при рассмотрении интерференционных явлений, столь изящно объясняющихся волновым характером поля и совершенно непонятных с корпускулярной точки зрения.

Действительно, представим себе простейший интерференционный опыт: два близких отверстия, через которые пропускается свет. Без труда проделаем следующий эксперимент. Сначала сфотографируем прошедший свет, когда оба отверстия открыты. Получим обсуждавшуюся нами в свое время картину, состоящую из чередующихся светлых и темных полос. Теперь закроем по очереди оба отверстия и снимем фотографию на одну пластинку. Результат, разумеется (с точки зрения волновой теории), будет другим — интерференции нет.

Подумаем теперь, что означает этот эксперимент на языке корпускулярных представлений. Можно представить себе (хотя и трудно), что, отскакивая от борта отверстия или ударяясь друг об друга, фотоны падают неодинаково в разные места фотопластинки. Но картины получаются разные в зависимости от того, проходил ли свет ерез оба отверстия одновременно или последовательно. Фотоны,

проходящие через одно отверстие, «знают», закрыто или открыто соседнее отверстие.

Этим и многими другими рассуждениями и опытами можно доказать полную невозможность сведения электромагнитных явлений к одной лишь картине поля или к системе фотонов. Каждое из рассмотрений оказывается исключительно плодотворным в одной области явлений и отказывает в другой.

Развитие физики последних десятилетий проходит под флагом энергичных поисков формы объединения этих двух противоположных представлений об электромагнитной материи. Поле — это реальность, которая характеризуется непрерывными в пространстве и времени значениями напряженностей полей; корпускула — это реальность, занимающая некоторую ограниченную область пространства в данное мгновение. Электромагнитная материя объединяет в себе эти противоречивые качества. В гл. 27 мы увидим, что сочетание таких противоречивых свойств характерно не только для электромагнитной материи, но и для вещества. Однако в познании вещества физика ушла значительно дальше, чем в учении об электромагнитном поле. Дуалистическая природа частиц вещества описывается уравнением Шредингера (стр. 441); взаимоотношения между корпускулами и волнами для этих частиц в достаточной степени выяснены.

К сожалению, значительно хуже обстоит дело с созданием теории электромагнитного поля (материи), так называемой квантовой электродинамики (см. подробнее стр. 541). Такой законченной теории не существует. Ввиду принципиальных противоречий, имеющих место в квантовой электродинамике, ее отдельные успехи, выражающиеся в установлении новых закономерностей, связывающих поле и частицы, не могут быть обобщены и взаимоотношение между фотонами и электромагнитным полем не может считаться выясненным. Правила «перевода» с корпускулярного языка на волновой и обратно состоят в следующем: электромагнитная волна с длиной X и интенсивностью может проявить себя как поток фотонов с частотой и интенсивностью где число фотонов, приходящихся в единицу времени на единицу площади. Направление движения фронта волны есть направление движения фотона.

Мы оставим в стороне весьма сложный вопрос о поляризационном состоянии света. Чтобы толковать его на языке корпускул, необходимо принять существование у фотона некоторого избранного направления (спин, стр. 462 о спине электрона).