Развитие концепции корпускулярно-волнового дуализма

Затруднения электромагнитной теории Максвелла и вытекающей из нее волновой теории света начались несколько раньше, когда в 1887 г. немецкий физик Г. Герц открыл явление, получившее название фотоэлектрического эффекта. В экспериментах Герца было показано, что при освещении металлической пластины с ее поверхности «выбиваются» отрицательно заряженные частицы, которые, как выяснилось позднее, являются не чем иным, как элекронами. Количественное исследование фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта), выполненное русским физиком А. Г. Столетовым, показало, что кинетическая энергия испускаемых частиц линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности, причем для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта (свет с частотами, меньшими определенного значения, не вызывает фотоэффекта).

Ни электромагнитная теория Максвелла, ни электронная теория Лоренца не могли объяснить этой неожиданной закономерности фотоэффекта. Здесь классическая физика также подошла к пределу своих возможностей. Объяснение основных законов фотоэффекта было получено лишь в 1905 г., причем для этого потребовались не только интеллект Эйнштейна, но и смелая гипотеза выдающегося немецкого физика Макса Планка об испускании света не непрерывно, а определенными порциями – квантами.

Величина такого кванта энергии, по М. Планку, пропорциональна частоте света n, а в качестве коэффициента пропорциональности выступает константа h, получившая впоследствии наименование постоянной Планка. Таким образом, энергия кванта

E = h n.

Круг явлений, для которых такая дискретность величин существенна, оказался настолько широким, а нащупанная М. Планком эвристическая сила квантового представления – столь большой, что введенная им постоянная вскоре проявила свой глубокий смысл и приобрела статус фундаментальной мировой постоянной.

Можно усмотреть глубокую символику в том, что гипотеза М. Планка родилась в 1900 г., на грани двух веков – XIX, знаменовавшего расцвет классической физики, и ХХ, которому суждено было стать веком физики квантовой.

Исключительная научная продуктивность квантового представления света вскоре проявилась в полной мере. Уже в 1905 г. А. Эйнштейн, развивая идею М. Планка, предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется в виде квантов с энергией
E = h n. Эта гипотеза позволила Эйнштейну полностью объяснить те самые закономерности фотоэффекта, которые не укладывались в рамки классической теории.

Итак, круг замкнулся: корпускулярные свойства света проявились в фотоэффекте неоспоримым образом. Очередное доказательство проявления корпускулярного характера света было получено в 1922 г., когда американский физик Артур Комптон экспериментально показал, что рассеяние света свободными электронами в веществе происходит как упругое столкновение двух частиц – электрона и светового кванта (фотона), сопровождаясь увеличением длины волны, т. е. уменьшением частоты излучения.

Пожалуй, с открытием эффекта Комптона завершились колебания и сомнения по поводу того, что же такое свет – волны или частицы. Ответ оказался столь же простым, сколь и неожиданным: и то и другое! Стало ясно, что наряду с волновыми свойствами, проявляемыми, например, при интерференции и дифракции, свет обладает и корпускулярными свойствами, выступающими при фотоэффекте и эффекте Комптона. Так сложились современные представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света и электромагнитного излучения вообще, в которых ярко проявилось диалектическое единство непрерывности и дискретности.

Корпускулярно-волновой дуализм вытекает уже из формулы для энергии фотона E = h n, которая содержит обе концепции: энергия Е относится к частице, а частота n характеризует волну. По существу, здесь содержится формальное логическое противоречие, поскольку для объяснения одних явлений следовало исходить из волновой природы света, а для объяснения других – из корпускулярной. Необходимость разрешения этого противоречия и привела к созданию квантовой механики.

Вторая линия развития и обобщения гипотезы М. Планка ведет свое начало с разработки А. Эйнштейном в 1907 г. теории теплоемкости твердых тел. Как следует из классической электродинамики, электромагнитному излучению, представляющему собой совокупность волн с разными частотами, соответствует некоторый набор осцилляторов в веществе, излучающих на этих частотах. Испускание и поглощение волн можно трактовать как возбуждение и затухание соответствующих осцилляторов.

Но испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходит дискретными квантами с энергий h n. Следовательно, осциллятор может иметь только определенные значения энергии, т. е. дискретные уровни энергии, расстояние между которыми равно h n. Эту идею квантования уровней энергии осцилляторов А. Эйнштейн, последовательно придерживаясь линии проведения обобщений, перенес на осцилляторы любой природы. Действительно, тепловое движение в твердых телах сводится к колебаниям атомов, т. е. твердое тело динамически эквивалентно набору осцилляторов. Согласно теории Эйнштейна, энергия этих осцилляторов тоже должна квантоваться, а это означает, что веществу следует приписать наличие набора дискреных уровней энергии, причем разность между соседними уровнями должна равняться h n, где n – частота колебаний атомов. Дальнейшее развитие этого подхода голландским физиком Петером Дебаем, немецким физиком Максом Борном и другими учеными привело к построению современной квантовой теории твердого тела.