#физика | Эксперимент: как свет может одновременно быть и частицей, и волной

Рассмотрим, как свет может одновременно быть и частицей, и волной на основании небольшого научного эксперимента. Скорее всего, вам приходилось слышать о том, что свет состоит из частиц, именуемых фотонами. Как может нечто столь на первый взгляд «нематериальное», как свет, состоять из частиц? Физики описывают свет, как частицу и волну. Свет предстает одновременно в каждом из этих качеств. Волноподобное поведение света порождает массу интересных эффектов. В том числе и радужные цвета, порождаемые светом на поверхности пузырьков. Чтобы исследовать поведение света в качестве волны, вам потребуются: три стержня для механического карандаша, лазерная указка и… темная комната. Ведь самые интересные вещи всегда происходят только в темноте. Но для начала немного разъяснений.

Научное пояснение

Волне, как известно, свойственно распространяться. Кинетическая энергия проходит через вещество, не заменяя собой молекулы самого вещества. Она проводит вещество через фазы сжатия (сближая молекулы друг с другом) и разрежения (когда молекулы друг от друга отдаляются). Именно это происходит в динамике, вибрирующем от музыки.

Когда волны вступают в контакт друг с другом, на их пути возникает препятствие. Если волны находятся в одной фазе (сжатия или разрежения) одновременно, то происходит усиление. Если же волны находятся в разных фазах (одна старается сжать вещество, другая разредить), то происходит подавление волны. Именно так работают наушники, через которые не проникает внешний шум (шумоподавляющие наушники): они производят звуковую волну, подобную той, которая характерна для нежелательного шума, но в противоположной фазе. Этим обеспечивается эффект подавления волны молекул воздуха постороннего шума. Когда ее энергия достигает вашего уха, внешний крик будет восприниматься вами подобно шепоту, а отголосок рокота могучего мотора самолета донесется до вас слабым жужжанием.

Другим важным свойством волн является преломление (дифракция). Когда волны сталкиваются на своем пути с препятствием, они огибают его, а затем вступают друг с другом во взаимодействие. В нижеописанном эксперименте мы поставим на пути света препятствия, обеспечив проходы, которые дадут световой волне возможность преломиться. Разные точки преломления волн демонстрируют примеры конструктивных и деструктивных помех. Вы сможете наблюдать удивительное явление поглощения светом самого себя.

Необходимые материалы

Три или более грифелей для механического карандаша (подойдут диаметром 0,5 или 0,7 миллиметра), лазерная указка (красный свет неплох, но эффект от зеленого будет более наглядным), темная комната.

Ход эксперимента

Затемните комнату. Темнота должна быть близка к абсолютной. Станьте на расстоянии примерно 1 метр 20 сантиметров от стены. Разместите три грифеля между большим и указательным пальцем левой руки. Для тех, чья основная рука левая, рекомендуется размещать грифели в правой руке. Разместите их так, чтобы расстояния между ними были крайне невелики. Таким образом между грифелями образуются два небольших прохода, которые и будут каналами преломления.

Включите лазерную указку и направьте ее свет в сформированные грифелями каналы и посмотрите на отраженный от стены свет. Что вы видите? В ходе эксперимента меняйте положения грифелей и направление лазера, а также ширину каналов преломления. Если вы делаете все правильно, световой рисунок на стене будет меняться. Попробуйте использовать больше грифелей, чтобы создать больше дифракционных каналов. Как дополнительные каналы меняют световую проекцию на стене?

Наблюдения и результаты

Свет лазера проявит себя в форме двух параллельных, но сцепленных между собой, волн. Световые линии будут параллельны друг другу, если фаза волн совпадает. Свет от карманного фонарика этого эффекта не даст: лучи никогда не будут параллельны друг другу. Волны лазерного света преломляются, проходя через дифракционные каналы, образованные карандашными грифелями, порождая проекцию на стене. При перекрытии волнами друг друга они вступают во взаимодействие. В некоторых случаях это перекрытие будет конструктивным, в других деструктивным. При конструктивном взаимодействии свет на стене будет ярким. В других случаях волны будут угнетать друг друга (деструктивное взаимодействие). В этих случаях на световой проекции появятся темные промежутки.

Когда свет станет вести себя только как частица, вы сможете видеть на стене только две точки напротив каналов преломления. К современному представлению о природе света человечество шло долго. Великий английский ученый Исаак Ньютон определял свет в качестве потока частиц. В 19 столетии ученые пришли к выводу, что свет является волной. Но поскольку свет вел себя подобно частицам, Альберт Эйнштейн высказал предположение о том, что свет на самом деле является частицей, именуемой фотоном. Физик Макс Планк запаниковал, восклицая: «теория света будет отброшена назад не на десятилетия, а на века» в случае, если научное сообщество согласится с теорией Эйнштейна. В конечном итоге научными кругами было выработано компромиссное определение: свет одновременно является и частицей (фотоном) и волной.

Размышления о волновой природе света корреспондируются с вероятностью того, что фотон будет в определенном месте в определенное время. Это позволяет более ясно понять, как можно заставить фотоны занять на стене определенные позиции, когда их волны создают друг другу помехи. Менее интуитивно понятен тот факт, что фотоны могут одновременно проходить через два канала, продолжая проявлять поведение, характерное для волны, наталкивающейся на помехи. И как отдельные фотоны способны, пройдя через два канала, прибыть в одну и ту же точку!

Этот несложный физический эксперимент, проведенный зимним вечером в кругу семьи, позволит получить массу приятных эмоций. Наука бывает не только полезной, но и крайне интересной. А человечество продолжает неуклонно двигаться путем научно-технического прогресса, удовлетворяющего не только материальные потребности, но и потребность разумного существа в новых знаниях.

По мотивам Education.com