Лекция «Корпускулярно – волновой дуализм».

Вопросы.

1. Необычные свойства света.
2. Корпускулярно – волновой дуализм.
3. Новые принципы в построении физической теории.
4. Возникшие вопросы.

1. Необычные свойства света.

Рассматривая свойства света, мы столкнулись с ситуацией ранее не встречавшейся при изучении явлений природы. Для описания одних явлений, таких как интерференция, дифракция, поляризация используется волновая модель света; для описания других – тепловое излучение, фотоэффект, рентгеновское излучение, изменение со временем интенсивности слабых потоков – корпускулярная модель света.

Своеобразную связь между этими моделями устанавливают выражения для энергии и импульса фотонов: ε = hν,   p = h/λ

Используя данные соотношения, выражения для плоской монохроматической э/м волны E = EοCos(ωt-kx) , где k = 2π/λ – волновое число можно записать в виде E = EοCos2π(εt-px)/h.

Необычность использования различных моделей для объяснения результатов эксперимента – в кажущейся противоречивости. Наш житейский опыт показывает, что частица не может быть волной, а волна не может быть частицей.

2. Корпускулярно – волновой дуализм.

Однако эксперименты, связанные со светом показывают, что один и тот же физический объект может в зависимости от ситуации проявлять или волновые, или корпускулярные свойства. Причем эти свойства выступают не как исключающие друг друга характеристики объекта, а как признаки объекта, дополняющие друг друга. При этом сам объект не является ни волной, ни частицей.

С этих позиций свет следует рассматривать как квантовый процесс, проявляющий волновые или корпускулярные свойства в зависимости от экспериментальной ситуации (Раздел физики, изучающий свойства этого процесса при распространении в пространстве со временем и его взаимодействие с веществом, называется квантовой электродинамикой).

Ситуация, сложившаяся в физике при описании свойств света, получила название корпускулярно – волнового дуализма. Противоречивость поведения света есть следствие ограниченности наших возможностей при описании явлений природы. С развитием физической теории происходит переход к качественно новому уровню понимания сущности процессов происходящих в природе, к новому стилю мышления.

3. Новые принципы в построении физической теории.

В 1927 г. Нильсом Бором формулируется принцип дополнительности, согласно которому, для того чтобы наиболее адекватно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах описания, например, одновременно и как волну, и как частицу.

Это требование эквивалентно расширению логической структуры физической теории. Бор использует, казалось бы, очень простое средство: признается допустимым взаимоисключающее употребление двух теорий, каждая из которых базируется на обычной логике. Они описывают исключающие друг друга физические явления. Одной логической конструкции оказывается недостаточно для описания всей сложности микромира. Требование нарушить общепринятую логику при описании картины мира со всей очевидностью впервые появилось в квантовой механике — и в этом ее особое философское значение».

При описании квантовых процессов возникла необходимость отказа от механического детерминизма. Эксперименты по наблюдению дифракции и интерференции света при малых интенсивностях световых пучков, показали, что картина процесса формируется постепенно отдельными фотонами. При этом частота их попадания в отдельные места экрана определяется волновой функцией, совпадающей для фотонов с выражением для э/м волны. Причем интенсивность волны характеризует частоту попадания фотонов в окрестность некоторой точки на экране. Т.о. физические законы при описании квантовых объектов приобретают вероятностный характер.

4. Возникшие вопросы.

Свет (э/м поле) и вещество – составляющие физической картины мира, пространственно – временные модели у них общие. Возникает вопрос: распространяются ли квантовые представления на вещество, существует ли у частиц вещества волновые свойства?