От самых далёких звёзд на небе до экрана перед вашим лицом — свет повсюду. Однако его природа и способы распространения долгое время озадачивали учёных. Один же вопрос особенно мучил великих мыслителей — от Исаака Ньютона (Issac Newton) до Альберта Эйнштейна (Albert Einstein): является ли свет частицей или волной?
Как биологический вид, мы, похоже, стремимся понять фундаментальную природу окружающего нас мира, и именно эта загадка не давала покоя ученым XIX века.
Сегодня ответ на этот вопрос не вызывает сомнений: свет одновременно и частица, и волна. Но как учёные пришли к этому ошеломляющему выводу?
Начальной точкой стало научное различение волн и частиц.
Первое убедительное доказательство волновой природы света появилось в 1801 году, когда Томас Юнг (Thomas Young) провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он поместил экран с двумя отверстиями перед источником света и наблюдал, как свет вёл себя после прохождения через щели. Свет, падающий на стену, создавал сложный узор из ярких и тёмных полос, известный как интерференционные полосы.
Когда световые волны проходили через отверстия, они создавали расходящиеся сферически частичные волны. Эти волны перекрывались, усиливая или ослабляя друг друга, что влияло на итоговую интенсивность света.
Спустя 86 лет Генрих Герц (Heinrich Hertz) впервые продемонстрировал корпускулярную природу света. Он заметил, что при облучении ультрафиолетовым светом металлической поверхности возникает электрический заряд — явление, известное как фотоэлектрический эффект. Однако значение этого открытия стало ясно лишь много лет спустя.
Атомы содержат электроны, находящиеся на фиксированных уровнях энергии. Ожидалось, что при воздействии света электроны получают энергию и выходят из атома, причём более яркий свет должен ускорять этот процесс. Но эксперименты, проведённые после работы Герца, выявили аномалии, которые полностью противоречили классическим представлениям физики.
В 1921 году Эйнштейн разрешил эту загадку, за что получил Нобелевскую премию. Он предположил, что атомы получают энергию от волны не непрерывно, а в виде отдельных порций света — фотонов. Это объяснило необычные наблюдения, такие как существование пороговой частоты.
Но что определяет, будет ли свет вести себя как волна или как частица? По словам Сапьенцы, вопрос следует ставить иначе:
В повседневной жизни мы чаще воспринимаем свет как волну, и именно в этой форме он удобнее всего для использования в физике.
Однако двойственная природа света, известная как корпускулярно-волновой дуализм, является абсолютно фундаментальной для существования мира в том виде, в каком мы его знаем. Это странное двойственное поведение распространяется и на другие квантовые частицы, такие как электроны.
