Корпускулярно-волновой дуализм

Основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов. Все попытки объяснить это с позиций классической физики оказались безуспешными.

Эти противоречия разрешил немецкий физик Макс Планк (1858-1947). В 1901 г. он высказал предположение, что энергия излучается малыми порциями - квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка. Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу (известную как ультрафиолетовая катастрофа), согласно которой все тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.

В 1911 г. Эрнст Резерфорд (1871-1937) предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах, обнаруживших, что при облучении твердых тел светом из них выбиваются электроны. При этом оказалось, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности. Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождения электрона зависит от частоты света (светового кванта), поглощаемого веществом.

Было доказано, что свет может вести себя и как частица, и как волна, т.е. обладает дуализмом. Одним из доказательств этого свойства света является интерференция. Интерференция света - это физическое явление, при котором два луча света накладываются друг на друга. При этом на экране возникает картина чередующихся темных и светлых полос. Интерференци­онную картину можно рассчитывать на основе как волновых свойств света, так и рассматривая свет как фотоны, т.е. как частицы. Из квантового описания следует, что в одних частях экрана (соответствующих светлым полосам) вероятность найти фотоны больше, а в других частях (темные полосы) - меньше.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне, (т.е. когда речь идет о фотонах или элементарных частицах вещества) мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента (например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон). Все что мы можем сделать, - это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта очень глубокая мысль предполагает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.

Ясность в эту специфическую особенность квантовой теории в 1927г. внес немецкий физик Гейзенберг (1901-1976), автор знаменитого принципа неопределенностей. Согласно этому принципу, невозможно одновременно осуществить точное измерение двух дополняющих друг друга характеристик частиц, например, ее скорости и координаты. Принцип Гейзенберга фундаментален и очень важен. Гейзенберг наглядно объяснял свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.

В дальнейшем был достигнут существенный прогресс в понимании природы частиц и широком приложении квантовой теории к различным областям физики. В результате синтеза квантовой теории и специальной теории; относительности возникла квантовая электродинамика - теория электромаг­нитных взаимодействий, которая рассматривает процесс взаимодействия заряженных частиц как обмен фотонами.

Создание специальной теории относительности и квантовой теории-
это два революционных переворота в физике начала XX в., которые в корне
изменили наши представления о пространстве, времени, излучении и
веществе.