Аз есмь свет!
Через много веков людей стала волновать природа самого света. Жаркие дебаты проистекали на эту тему между И.Ньютоном и Г.В.Лейбницем. На какое-то время победителем стал Ньютон, объяснивший с помощью своей корпускулярной теории дифракцию света в радуге и стеклянной призме. Лейбницу со своей волновой концепцией пришлось на некоторое время отступить перед авторитетом сэра Исаака. Однако в первый год ХIХ в. Томас Юнг провел удивительный опыт со своими знаменитыми двумя щелями, через которые проходил свет. Удивительно, но на темном экране появились не две светлые полоски, а чередование максимумов и минимумов освещенности. Светлые полоски получались при «сложении» двух световых потоков, а темные – в результате взаимного их гашения. Такое чередование интенсивности света напоминало классическую картину гашения и взаимного усиления двух волн на воде водоема, в который одновременно бросили два камня. Гашение происходит в результате того, что одна волна «мешает» распространению другой. Описанное пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн называется и н т е р ф е р е н ц и я. Это явление, открытое Юнгом, стало прекрасным и «неоспоримым» доказательством волновой природы света. Однако А.Эйнштейн, говоря сто лет назад о физической природе фотоэффекта, все же настаивал на том, что поток света состоит из эдаких микроскопических «пакетов», или корпускул. За открытие закона фотоэффекта он в 1921 г. был удостоен Нобелевской премии. Многие тогда отказывались признать, что волны могут быть представлены в виде миниатюрных «пакетов», названных отцами-основателями новой (неньютоновской) механики квантами (от лат. quantum – сколько). Во времена жесточайших споров А.Эйнштейна с Н.Бором людям было невдомек, о каких масштабах пространства-времени идет речь: электрон совершает свой оборот вокруг ядра примерно за 150 аттосекунд (15•10–17 с), а одно колебание (цикл) световой волны происходит за время, почти в шесть раз большее указанного (одна фемтосекунда, или 10–15 с). Эйнштейн так и не смог принять принципа неопределенности, который особенно ярко проявляет себя в опыте с интерференцией света. Получается, что если мы знаем траектории движения фотонов, то интерференция исчезнет. Если же провести квантовое «стирание» этой информации, т. е. иначе поставить опыт, то взаимодействие фотонов восстановится. В конечном итоге «волновики» победили, что было немудрено после изобретения лазера, период колебания волны которого все больше и больше сокращался, вплоть до «видимого» предела. За импульсами фемтосекундного лазера начинается уже невидимая область жесткого ультрафиолетового излучения. Дж.К.Максвелл первым осуществил объединение двух физических субстанций: электрического и магнитного полей. Он доказал, что свет – это электромагнитное излучение, но увидеть это воочию все никак не удавалось. А как известно, лучше один раз увидеть… Этой целью задались в Венском технологическом институте. Ученым пока удалось показать волнообразное изменение электрического поля света, что стало возможно благодаря синхронизации импульсов двух лазеров: обычного титан-сапфирового и упомянутого выше ультрафиолетового. Главная составляющая эксперимента заключалась в небольшом «добавлении» мощного импульса, начало которого было синхронизировано с максимумом электрического поля световой волны. Мощный ультрафиолетовый импульс понадобился для выбивания электронов из внешней оболочки атомов неона или ксенона, т.е. для образования фотоэлектронов. Нарастающее электрическое поле световой волны по закону Кулона устремляло их к чувствительному детектору электронов (рис. 1).
Сам процесс выбивания электронов из атомов вероятностный, поскольку световой импульс невозможно точно сфокусировать на одном атоме из-за естественных его движений. Поэтому энергии фотоэлектронов были разные, вследствие чего они устремлялись к детектору тоже по-разному. Постепенно в ходе многочисленных повторений опыта была создана «томограмма» электрической волны света. Таким образом, электрическую волну света удалось увидеть воочию (рис. 2). Для этого понадобилось провести всего лишь... 6 миллионов отдельных опытов!
(New Scientist, 2005, № 2494, р. 37) |
