Техника - молодёжи 1957-05, страница 34

Открытие атомов энергии расширило понятие материи. Световой поток оказался не процессом в материальной среде — эфире, а непосредственным носителем материального. Возникло представление о двух формах материи: вещественной, или корпускулярной, — и лучистой, или полевой. Энергия и масса не имеют самостоятельного бытия, они лишь свойства материальных частиц: фотонов или корпускул (электронов, протонов, нейтронов и других частиц).

Поскольку же свет не процесс, а сама материя, следовательно, отпадает необходимость и в гипотезе о существовании эфира.

Обратимся для примера к волнам видимого света. Это электромагнитные колебания с диапазоном частоты от 4.10^м колебаний в секунду (для красного света) до 8* 10^й колебаний в секунду (для фиолетового света). Если помножить указанные значения на «постоянную Планка», то получатся значения «атомов» энергии — квантов, выраженные в эргах для обеих границ видимого спектра: 26,48.10—¹⁸ и 52,96.10—>» эрг.

Из таких «атомов» складывается энергия, которую несут в себе лучи красного и фиолетового света. Как видим, фиолетовый свет состоит из квантов с вдвое большей энергией, чем кванты красного света. Чем выше частота колебаний, тем больше энергия квантов, тем большую работу они способны произвести.

В формуле Планка не отражена физическая природа материального источника. Это значит, что формула применима для любого источника и атомарное строение присуще всякой форме колебательной энергии, например и звуковой. Кванты света по предложению А. Эйнштейна называются фотонами. Кванты звука, которые приобретают в наши дни особое практическое значение в связи с распространением ультразвуковой техники, называются фононами.

В 1905 году А. Эйнштейн установил свое знаменитое положение, что энергия Е любого внла пропорциональна инертной массе ш:

где с — скорость света, равная- примерно 300 тыс. км. в сек., или 3>10^исм/сек.

Пользуясь формулой Эйнштейна, мы можем вычислить, что выбранные нами выше фотоны света обладают массами 2,94-10 ^—33 г и

5.88.10-³³ г.

Как видим, числовые значения, получающиеся при этом, более чем ничтожны, если подходить к' ннм. с точки зрения обычных для иас масштабов. Однако это обстоятельство, как мы потом убедимся. вызывает далеко идущие последствия.

ВОЛНЫ ЭЛЕКТРОНА

Итак, прежние представления классической физики о свете и вообще об электромагнитной энергии, как о волновых процессах в мировом эфир^ оказались несостоятельными. Такого мирового эфира не существует. Световой поток в действительности чем-то похож на поток очень маленьких' частиц — фотонов, световых «пулек». Теперь в опыте Столетова все становится понятным. Материальные световые «пульки» выбивают из вещества отрицательно заряженной пластинки электроны, последние тотчас же начинают притягиваться положительно заряженной пластинкой, в результате чего в схеме возникает электрический ток.

30

Фотоны обладают массой, которую легко - измерить.

Все же по отношению к фотону термин «частица» применим лишь с весьма существенными оговорками. Распространяясь, фотон действует как волна, излучаясь или поглощаясь — как частица. Частица ограничена в пространстве, ее поперечник можно измерить, скажем, в миллиметрах. «Поперечник» же фотона неизмерим в линейных единицах: обладая некоторыми свойствами частицы, он в то же время является и неизменяющейся волной, простирающейся в бесконечность.

Свет обладает не только волновыми свой' стеами. Он состоит из частил — фотонов.

Есть и другие отличия фотона от части цы. Фотон существует лишь в движении, причем всегда с одной и той же скоростью, а именно со скоростью света. Частица же обычного вещества бывает, и в относительном покое и в движении с различными скоростями, но никогда не достигает скорости света. В связи с этим фотон, скорость которого неизменна, обладает и неизменной массой, масса же частицы возрастает от некоторой минимальной «массы покоя» (которой не обладает фотон) до неограниченно большой величины при приближении скорости частицы к скорости света.

Если масса электрона в состоянии покоя и при относительно небольших скоростях составляет 9,1 .10—²⁸ г, то с достижением 0,998 скорости света

Проходя через тонкую перегородку, поток

электронов дифрагирует, как волны.

она увеличивается примерно в 16 раз, при дальнейшем же приближении к скорости света масса возрастает неограниченно. Упрощая, фотон можно было бы назвать волной, похожей по своим свойствам на частицу.

«Почему, — задал в начале двадцатых годов вопрос французский физик Луи де Бройль, — если волновой материи присущи свойства корпускулярности, мы не вправе ожидать и обратного: что корпускулярной материи присущи волновые Свойства? Почему бы не мог существовать закон, единый для всякого вообще материального образования, неважно волнового или корпускулярного?»

Если бы предположение де Бройля оправдалось, это означало бы, что всякому веществу, равно как и излучению, соответствует определенное периодическое волновое явление, зависящее исключительно от массы вещества и от скорости его движения.

Гипотеза де Бройля была подтверждена опытами Дэвиссона и Джерме-ра, открывшими в 1927 году явление дифракции электронов. Дифракция, то есть загибание лучей после прохождения ими узких щелей или мимо малых отверстий, — типично волновое явление. Оно свойственно только, волнам. И вот оказалось, что и пучок электронов, двигающихся с достаточно большими скоростями, если пропускать его через очень тонкие (порядка одной миллионной сантиметра) металлические пластинки, также обладает способностью давать дифракцию. Впоследствии дифракция была обнаружена и у более тяжелых частиц: нейтронов, атомов и молекул.

Именно с 1927 года, то есть с года открытия явления дифракции электронов, две теории: квантовая теория оптических явлений, то есть корпускулярная теория волновой материи, и волновая теория корпускулярной материи, слились в одну — квантовую механику. Корпускулярно-волновая «двойственность», или, как говорят еще, дуалитет элементарных (как электромагнитных, так и вещественных) частиц, стала общепризнанной.

ДВИЖЕНИЕ БЕЗ ТРАЕКТОРИИ

Когда мы бросаем мяч, то видим, как он описывает вполне определенную кривую-параболу, прежде чем упадет на землю. Подобная кривая — незримый след летящего мяча — называется траекторией движения. Всякий движущийся предмет, воочию наблюдаемый нами, обязательно имеет * свою траекторию.

Не то, если речь идет о движении объекта микромира, подчиненного законам квантовой механики. Оказывается, к явлениям микромира выше-высказанное положение неприменимо: элементарные частицы — электроны, протоны, атомы и другие —- в своем движении не имеют определенной траектории в обычном смысле слова.

Но как себе представить, скажем, электрон, движущийся без траектории? Представить это действительно довольно трудно, но зато можно понять, почему трудно.

Ведь траектория — это свойство только корпускулы, тела. Волна, простираясь в бесконечность и не являясь телом (а лишь процессом), не