Проблема Дуализма. Часть-1

Последнее время на сайте ЗХЖ стали появляться мысли, касающиеся самого сокровенного в современной физике – квантово-волнового дуализма. Кому интересна эта тема и кто любит решать сложные логические задачи, задумайтесь над следующим экспериментом…

Сам по себе эксперимент достаточно прост в исполнении, но труден в восприятии, так как его толкование оказывается сложным. Вероятно, одно из наиболее удачных описаний этого эксперимента принадлежит  признанному популяризатору физической науки американскому физику Клиффорду Суорцу(CliffordE.Swartz).В книге «Необыкновенная физика обыкновенных явлений» (Phenomenalphysics)– настольной для многих поколений физиков, Суорц представляет эксперимент следующим образом (текст цитируется практически без купюр)[1].

«Что такое свет - волна или частица? Дифракция, интерференция и поляризация со всей очевидностью свидетельствуют в пользу волновой модели света. Более того, известно, что свет представляет собой просто коротковолновую разновидность электромагнитного излучения, такого, как радиоволны, волновая природа которых обнаруживает себя как в процессе их получения, так и обнаружения. С другой стороны, в получении света существенную роль играют квантованные значения энергии. Спектры изолированных атомов содержат только определённые частоты. Сложный спектральный состав излучения раскалённых твёрдых тел получает объяснение тогда и только тогда, когда принимается, что микроскопические осцилляторы могут находиться Только в состояниях с квантованными значениями энергии И поэтому испускают только квантованные порции энергии излучения. Когда свет взаимодействует с веществом, он ведёт себя так, как если бы это были частицы, доставляющие порции энергии в отдельные точки.

Обратите, однако, внимание, что две эти модели света не вполне независимы. Порция света –  фотон –  имеет энергию, которая пропорциональна его частоте:Е = hv. Но частота представляет собой волновое понятие. Каким образом частица может иметь некоторую частоту?

Когда в первых десятилетиях нашего века был осознан скрытый в этой ситуации смысл, были предприняты разнообразные философские попытки найти выход из возникающих затруднений. Например, предлагалось считать, что надвигающиеся волновые фронты могут содержать фотоны, Примерно так, как приближающиеся к берегу океанские волны могли бы нести на своих гребнях множество досок с любителями кататься на волнах прибоя. Но такая модель не привела ни к каким успешным количественным предсказаниям.

Были     поставлены     эксперименты, в которых делались попытки заставить свет раскрыть свою истинную природу как волны или как частицы. Тип эксперимента, с наибольшей полнотой раскрывающий суть проблемы, заключается в получении интерференционной картины при столь низких интенсивностях света, чтобы во всей области интерференции в каждый момент времени находился бы только один фотон. Попытки постановки таких экспериментов предпринимались в 1920-х годах и снова, со значительно улучшенной точностью, в начале 1950-х.

Приводимый рисунок иллюстрирует такой эксперимент, выполненный в Будапеште в 1957 году. Прибор подобен интерферометру Майкельсона, использованному в 1880-х годах для сравнения длины волны со стандартным метром и для демонстрации независимости скорости света от движения источника или приёмника. <…>


Свет, содержащий только одну длину волны, проходит слева через фильтры, которыми регулируется его интенсивность. Полу посеребрённая поверхность зеркала 6 пропускает 50% света и отражает остальные 50%. Каждый из пучков проходит вдоль указанного пути, и они снова встречаются на экране. Вид интерференционной картины зависит от геометрии входной щели. В данном случае на экране образуются чередующиеся полосы взаимного усиления и погашения. В самом деле, если смотреть назад со стороны экрана, единственный источник будет виден как два источника, находящиеся на слегка различных расстояниях, если только длины обоих путей почти, но не в точности, равны.

Когда приёмная щель чувствительного фотоумножителя расположена на месте тёмной полосы интерференционной картины, никакой сигнал не будет зарегистрирован, за исключением собственных электрических шумов фотоумножителя. (Фотоумножитель имеет светочувствительную поверхность, которая эмитирует электроны благодаря фотоэффекту. Затем эти электроны ускоряются от электрода к электроду, генерируя все больше электронов на каждой ступени. Можно достичь усиления в миллион раз.) Затем с помощью фильтров интенсивность света уменьшается до такого уровня, чтобы в секунду пропускался всего миллион фотонов. (Это число можно определить измерением исходной энергии пучка, делением на энергию отдельного фотона hv и умножением на фактор ослабления фильтра, значение которого можно найти в отдельном опыте.) Для контроля фактора ослабления можно воспользоваться другими фотоумножителями в положениях 3 и 7, действительно подсчитывающими число фотонов. Геометрия установки такова, что время прохождения фотона через всю систему примерно равно
 

Поскольку за одну секунду проходит в случайной последовательности около 10^6 фотонов, полное время на протяжении одной секунды, в течение которого в установке будет находиться какой-либофотон, равно
 

Но, быть может, фотон в состоянии разделиться на зеркале 6, так что одна его половина пойдёт по одному пути, а вторая - по другому пути. В конце концовобе половины могут достичь фотоумножителя и проинтерферировать друг с другом. Такую возможность можно проверить на опыте. Когда зеркала 2 и 8 заменены фотоумножителями, следует ожидать совпадения отсчетов, если фотоны делятся пополам.

Современные электронные устройства, связанные с фотоумножителями, в состоянии установить, совпадают отсчеты или нет, с погрешностью до 10^- 9 с. Отсчеты в 3 и 7 обычно не совпадают. Каждый фотоумножитель регистрирует по полмиллиона отсчетов в секунду, но лишь очень немногие из них совпадают по времени, и число таких совпадений согласуется с предсказанием теории вероятностей для отсчетов, происходящих случайным образом.

Результат наблюдений заключается в том, что хотя в установке редко бывает более одного фотона одновременно фотоумножитель, просматривающий участок деструктивной интерференции на экране, все равно ничего не видит. Если однако зеркало 8 или зеркало 2 закрыть заслонкой, фото умножитель немедленно начинает регистрировать отсчеты. Когда одно из зеркал закрыто, расположенная на месте экрана фотопластинка зарегистрировала бы не интерференционные полосы, а только непрерывную засветку, которую следует ожидать в центральном максимуме дифракционной картины от одной щели. Как только открываются оба зеркала, на фотопластинке начинает выстраиваться изображение интерференционного узора, и фотоумножитель не регистрирует отсчетов, если его приёмная щель приходится на полосу погашения, несмотря на то что в установке одновременно может находиться только один фотон.

Такой непреодолимый парадокс, по-видимому, означает, что мы ещё не знаем, что такое свет, и должны как-то полностью изменить свою точку зрения. Хотя обычно считается, что решения уравнений Максвелла описывают бегущие волны электрического и магнитного полей, в действительности мы пользуемся этими решениями для предсказания вероятности реакции измерительного прибора или почернения зерна фотоэмульсии в определённом месте. Фотоны не распространяются с волнами или на волнах: это математические функции (имеющие вид волн) дают нам вероятность взаимодействий фотонов с регистрирующим устройством».

Не буду высказывать свою собственную точку зрения (она подробно изложена в гл. 19. Дуализм, «Иное понимание», Т.1. С. 389-428; кто прочитал – тот в курсе).Лишь  подчеркну важное обстоятельство. – Нельзя фотон и элементарные частицы помещать в единую таблицу физических представлений: бозоны и фермионы. Это совершенно разные природные явления. Между фотоном и частицами нет и не может быть ничего общего!Задумаемся. – Из опыта известно (П.Н. Лебедев, 1899 г.), что свет обладает давлением, следовательно, он материален, если таким образом проявляет себя в эксперименте. Одновременно с этим частица, с которой непосредственно связано понятие света – фотон – не имеет массы, то есть, что бы ни говорилось, получается, что она не материальна! Даже если смотреть на фотон с точки зрения волновой теории, то это «всего лишь» поперечная волна,а не продольная волна, которая способна создать давление в своём фронте.
О дуализме частиц на примере электрона мы поговорим во второй части статьи.

Евгений Лэнг

[1] Суорц  Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т. 2 – М.: Наука, 1987. С.358-360