Кванты света относятся к бозонам (подчиняются статистике Бозе); отличительной чертой этой группы частиц являются целочисленные значения их спина, он равен ± 1 (h/2π). Это свойство привело Ферми к мысли, что статистика Бозе не распространяется на электронный газ.

Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либо выделенной ориентации спина (или поляризации) в естественном свете.

Если в обычном свете все спины ориентированы хаотически, то в циркулярно поляризованном свете они имеют некоторое выделенное направление. Пусть такой циркулярно поляризованный свет падает на атом металла, тогда происходит тот же самый фотоэлектрический эффект. Это означает, что спин кванта никак не связан с его энергией. Что же происходит со спином, когда квант света исчезает? На этот вопрос нетрудно ответить: согласно закону сохранения момента импульса, орбитальный момент импульса эмиттируемого электрона изменяется на h/2π (например, электрон переходит из состояния 2s в состояние 2p. При этом, по-видимому, спин эмиттируемого электрона не изменяется.

Однако необходимо учитывать, что орбитальный момент импульса и спин атомных электронов связаны друг с другом. Взаимодействие со спином поляризованного кванта света приводит к важному результату: большая часть эмиттируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спина вправо или влево в зависимости от длины волны света. Этот эффект был предсказан в 1969 г. итальянским физиком Фано, а годом позднее он получил экспериментальное подтверждение.

Циркулярно поляризованный свет падает на пары атомов цезия, на которых происходит фотоэффект. Эмиттированные электроны выводятся в одну сторону и ускоряются напряжением в 120 кВ. затем они попадают на анализатор из тонкой золотой фольги, где пучок электронов расщепляется на два пучка, которые в зависимости от своей поляризации расходятся в разные стороны. В благоприятном случае поляризация может достигать 100 %; это означает, что таким способом можно получить пучок электронов с одной ориентацией спина.

14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Ранее неизменно считали, что как свет, так и весь остальной спектр излучения представляют собой электромагнитные волны. Однако оказывается, что электромагнитное излучение с равным успехом можно трактовать в терминах фотонов, то есть дискретных неделимых частиц и в ряде случаев излучение выступает только в такой форме. На примере одного и того же луча света можно без труда последовательно продемонстрировать оба указанных проявления. Но тогда с необходимостью возникает довольно острый вопрос: не является ли одна из теорий – волновая или корпускулярная – ложной? Существует ли компромисс между этими двумя теориями? Может быть, одна из них устарела, тогда как другая является более современной? Если принимать факты, как они есть, то нам следует говорить о дуализме света. К сожалению, это общеупотребительное выражение ничего не проясняет, и как тут не вспомнить саркастическое замечание Мефистофеля:

«Словечко громкое всегда

из затрудненья нас выводит!»

первопричина указанной дилеммы уходит корнями далеко вглубь; она лежит не в самом физическом объекте, но в традиционном способе нашего мышления. В процессе жизни у нас складывается прочная система представлений, например о свойствах твердых тел и жидкостей, о характере волнового движения и т.п. Короче говоря, все наше мышление, формируясь под влиянием внешней среды, постепенно складывается в картину мира, называемую «классической». И человеку нелегко отойти от этой картины. Как говорил Песталоцци, наблюдение – это фундамент познания, и потому по сей день наглядность является одним из ведущих принципов педагогики и лучшим способом познания законов физики.

Однако оказывается, что представления, развитые на основе чувственного восприятия мира, неприменимы в области микрофизики, ибо теперь предстоит иметь дело с объектами и процессами, которые принципиально невозможно ни увидеть, ни ощутить. Сведения о них мы получаем лишь косвенно, с помощью специальной аппаратуры. С некоторыми из наших приборов они взаимодействуют так, как будто они волны, с другими – подобно частицам. Это, однако, не означает, что указанные объекты являются волнами или частицами. Вообще объектам, не имеющим наглядных моделей, не следует приписывать каких-либо свойств на несоответствующем им языке наглядности, которая не принадлежит к числу необходимых характерных свойств объектов.

Все эти мысли постоянно встречаются в работах ведущих физиков и философов. Их можно резюмировать примерно следующими словами: в настоящее время новые теории возникают уже не только на основе систематизации наглядных наблюдений. Современные математические понятия, философские выводы, аналогии и т.п. могут давать начало плодотворным гипотезам. Теоретические выводы из этих гипотез допускают проверку экспериментом.

Поскольку с помощью измерительного прибора человек воздействует на объект, взаимосвязь теории и объекта ее изучения описывается с помощью гипотез, моделей и аналогий. И здесь сразу обнаруживается, как сложны структуры объектов и взаимоотношения между ними.

Сколь привлекательной ни казалась бы нам привычная наглядность предметов в окружающей нас природе, теперь нам придется отказаться от нее. Понятия и представления, вынесенные нами из мира, воспринимаемого чувствами, оказываются недостаточными, и их можно употреблять лишь с соответствующими оговорками. Это может разочаровать нас, так как именно свету мы во многом обязаны нашим физическим знанием. Но, положа руку на сердце, кому удавалось увидеть луч света со стороны? Речь идет не о пыльной комнате, в которой путь луча обозначен рассеянием света на бесчисленных крошечных пылинках, а об абсолютном вакууме! Там мы не в состоянии увидеть ни малейшего следа света. Только тогда, когда луч падает на сетчатку глаза, мы воспринимаем его действие. При этом происходит чисто квантомеханический процесс, а именно прямое взаимодействие обладающего энергией фотона со сложной молекулой зрительного пигмента. Это процесс можно сравнить с процессом, происходящим в фотоэлементе.

Итак, в конечном итоге мы приходим к следующему: свет является реальным физическим объектом, который не сводится ни к волне, ни к частице в обычном смысле. Эти понятия дают лишь приближенный способ описания объектов с более общими свойствами, которые для удобства называют квантами. Все физики сходятся сейчас на том, что волны и частицы представляют собой лишь две формы, в которых проявляется одна и та же физическая сущность.

14. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данин Д. Неизбежность странного мира, М., изд-во «молодая гвардия», 1996

2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики в3 томах, М., изд-во «Наука», 1971 – 1975.

3. Орир Дж., Популярная физика, М., изд-во «Мир», 1969

4. Линдер Г., Картины современной физики, М, изд-во «Мир», 1977

5. Льоцци Марио., История физики, М., изд-во «Мир», 1970.