Частицы-волны

Рассмотрим опыт с монохроматическим пучком света малой интенсивности. Пусть пучок проходит через тонкое отверстие диаметром в несколько длин волн. В любой момент времени через отверстия проходит только одна частица. В качестве приемного устройства возьмем фотопластинку большой разрешающей способности с очень малым размером зерна. Проведем несколько опытов с увеличивающимся временем экспозиции.

При малой экспозиции на пленке отпечатываются отдельные хаотически разбросанные точки - зачерненные зерна, в которые попал один или несколько фотонов. Никакого порядка в распределении их нельзя рассмотреть. Однако, если наложить друг на друга несколько таких фотопластинок, или сделать время экспозиции в несколько раз большим, то в более плотном распределении точек начинает проглядывать закономерность - дифракционная картина. При длительной экспозиции на фотопластинке все лучше видна картина дифракции на круглом отверстии. На рисунке запечатлена последовательность изображений фотопластинок с отпечатками все большей экспозиции.

Эксперименты по фотоэффекту, эффекту Комптона, фотоснимки при очень слабом освещении и малой экспозиции указывают на то, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Движение каждого отдельного фотона совершенно случайно. Принципиально невозможно предсказать, в какое место на экране полетит фотон.

При проведении большого числа опытов (опыт - это пролет одного фотона через отверстие; увеличение времени экспозиции равносильно увеличению числа опытов) множество исходов каждого эксперимента дает закономерное пространственное распределение фотонов (дифракционную картину). Распределение фотонов оказывается таким же, как распределение интенсивности классической электромагнитной волны при дифракции на круглом отверстии.

Таким образом, следует считать, что с частицей связана волна. Квадрат амплитуды волны в данной точке равен шансу, или вероятности, фотону оказаться в данной точке.

В событиях, управляемых случаем, закономерности проявляются при многократном повторении испытания в одних и тех же условиях. Например, когда вы подбрасываете монету, то невозможно наверняка угадать, что выпадет - орел или решка, однако, если сделать большое число подбрасываний, то выявится закономерность - примерно половина испытаний оканчивается выпадением орла, а половина - решки.

Важное обстоятельство: если интенсивность пучка столь мала, что через отверстие пролетает по одному фотону в секунду, так что наверняка никакого влияния фотонов друг на друга нет, через большое время на пластинке все равно проявится дифракционная картина, характерная для прохождения волны через отверстие. Значит, волна связана с каждой частицей. Каждая частица испытывает дифракцию.

Вывод. Фотоны - частицы. Движение каждого фотона непредсказуемо. Предсказуема вероятность поведения. Вероятность поведения частицы управляется волновым процессом. Квадрат амплитуды этой волны в данном участке пространства дает вероятность попасть частице в данный участок.

Вопрос 1. Приведите примеры явлений, в которых фотоны проявляют волновые свойства.