Основные законы оптики известны ещё с древних времён. Платон установил законы прямолинейного  распространения  и закон отражения света. Аристотель изучал преломление света. Древние греки и египтяне изобрели оптические инструменты – телескопы, зеркала. В конце  XVII в. сформировались две  теории свет: корпускулярная (И. Ньютон) и  волновая (Р.Гук  и  Х.Гюйгенс). По теории Ньютона  свет испускается светящимися талами в виде цветных корпускул, которые упруго соударяются с поверхностями тел. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной молекулы о другую. Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде — "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны. Принцип Гюйгенса — Френеля утверждает, что каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в  свою очередь, становится центром вторичных волн и передаёт их во все стороны соседним точкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773 — 1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А. Пуассон (1781 — 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть световое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Араго Д.Ф. (1786 -1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне  теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а  также положило начало признанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией. На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт:

при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° поляризованный свет не проходит через кристаллы

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И. Ньютоном.

Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны — фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света — красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.

Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волной теории света. Работы  Жана Фуко (1819-1868г.г.) по измерению скорости света в воде и воздухе при помощи вращающегося  зеркала,  Томаса  Юнга (1773-1829)  по дифракции и интерференции света,  Огюста Френеля (1788-1827г.г.), который ввёл понятие когерентности  элементарных волн, разработал теорию дифракции на одном отверстии, выполнил опыты с бизеркалами и бипризмой, доказал поперечность световых волн, исследовал интерференцию поляризованных лучей и вместе с Юнгом создал волновую оптику,  утвердили окончательно волновую природу света.  Максвелл  в своей теории об электромагнитном поле высказал гипотезу об электромагнитной природе света. XIX век стал  веком  борьбы этих двух теорий.

Волновая оптика широко используется и до сих пор в спектроскопии ( дифракционные приборы), в рассеянии света на мутных средах ( облака, дым, туман), в кристаллографии, для определения  разрешающей способности оптических приборов и др. Недавно был открыт и применяется новый способ записи и последующего восстановления изображений – голография (греч. «golos»-полный, весь). Нобелевский лауреат Деннис Габор (1900-1979г.г.)  осуществил идею фотографирования  интерференционной  картины, возникающей при суперпозиции волны, отражённой от объекта, и когерентной ей опорной   волны от источника  излучения. Голограмма, освещённая опорным пучком света, даёт объёмное мнимое изображение предмета, которое можно рассматривать со всех сторон, которое настолько реально, что его хочется потрогать ( рука проходит сквозь объект ).

В конце XIX века  новые открытия  потрясли науку. Кривая излучения абсолютно чёрного тела никак не соответствовала   выводам  классической физики, а именно закону  равномерного распределения энергии по степеням свободы. По молекулярно-кинетической теории на одну степень свободы приходится энергия .   Средняя энергия  колебательного движения, (а в твёрдом теле молекулы совершают только колебательные движения), равна  kT. Д. Рэлей (1842-1919г.г.) и Д. Джинс (1877-1946г.г.) – английские физики — в 1900-1905г.г. сделали попытку строгого теоретического вывода  зависимости энергии излучения абсолютно чёрного тела при данной температуре от частоты излучения. Полученная ими формула согласуется с экспериментом только в области малых частот и больших температур. В области же больших частот, то есть малых длин волн, формула Рэлея-Джинса показывает резкое  увеличение энергии до бесконечности — кривая излучения не имеет точки перегиба. Экспериментальная кривая имеет точку перегиба, соответствующую максимальной  спектральной плотности энергетической светимости  чёрного тела, а общая энергия излучения пропорциональна 

четвёртой степени абсолютной температуры  тела. Формула же  Рэлея-Джинса  при интегрировании по всем  длинам волн приводила к абсурду – энергия должна быть равна бесконечности.

В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц,  вырываемых  светом, показало, что эти частицы — электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1895 г. русским физиком А.Г. Столетовым (1839 — 1896). Это был ещё один не объяснённый классической физикой факт. Столетов обнаружил, что  сила  тока, возникающего под действием света, пропорциональна интенсивности света; наибольший эффект вызывают ультрафиолетовые лучи, а при облучении катода длинными волнами эффект исчезает («красная граница» фотоэффекта); скорость вылетевших электронов не зависит от интенсивности падающего света, но связана с его частотой.

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света. Объяснение основных законов фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном на основании квантовых представлений о свете.  

Состояние классической физики, неспособной объяснить экспериментальные факты, получило в истории науки название «ультрафиолетовой катастрофы».        

Изучение спектров излучения разрежённых газов (то есть отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ определённый линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий. Наиболее изученным был спектр самого  простого атома – атома водорода. Швейцарский физик  Иоганн Бальмер (1825-1898г.г.) подобрал эмпирическую формулу для видимой области спектра. Для объяснения линейчатых спектров «пудинговая модель» атома, предложенная в 1903 г. Джозефом Дж. Томсоном (1856-1940г.г.), совершенно не подходила. Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом около 10 –10 м,  внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара -атом  нейтрален. Такая модель не может дать линейчатого спектра.        

14 декабря 1900г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк (1858-1947)изложил идею о том, что излучение происходит не непрерывно, излучатель испускает  энергию порциями – квантами (лат. «quantum» — сколько). Энергия кванта    пропорциональна частоте колебания .   = h.  Эта гипотеза позволила  М Планку  вывести формулу  (закон)  распределения энергии  в спектре  абсолютно чёрного тела, график которой  точно совпал с экспериментальной кривой. В области  малых частот  при    h  много < kT   (то есть энергия кванта очень мала по сравнению с энергией теплового движения) формула Планка совпадает с формулой Рэлея- Джинса  (принцип  соответствия Н. Бора). Теория Планка не нуждается в понятии об эфире.

В физике впервые появились необычные величины, меняющиеся скачком, прерывистые, порционные.  Коэффициент  пропорциональности  h = 6,6*10 ^–34 Дж*с  очень мал  и имеет необычную единицу измерения, какой нет в классической физике.  В

1905г. А Эйнштейн ввёл представление о дискретной, квантовой  структуре самого излучения – свет  не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями ( квантами).  Распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения называются   фотонами.   Экспериментальное  открытие фотонов  в  1922 г. принадлежит Артуру Комптону (1892-1962г.г.).   Эйнштейн же с помощью квантов объяснил законы Столетова для фотоэффекта.  Каждый квант света поглощается только одним электроном отрицательно заряженной металлической пластинки. Поэтому сила фототока (число выбитых электронов) пропор-циональна интенсивности падающего света.  Энергия падающего фотона  расходуется на  совершение  электроном работы  выхода  А  из металла и на  сообщение вылетевшему электрону кинетической  энергии  mv ²/ 2.                   h =  A + m v ²/ 2

Здесь скорость электронов  зависит от  частоты света.  Если энергия кванта меньше работы выхода, то  фотоэффект не происходит. Равенство  hо=A   даёт красную границу фотоэффекта,  где  о – красная граница фотоэффекта.

Фотон предъявил претензию на физическую реальность. Но откуда берутся   фотоны? Ответ на этот вопрос стал ясен после появления планетарной модели атома, которую построил датский физик Нильс  Бор (1885-1962г.г.)  в  1913г. совместно с Эрнестом Резерфордом (1871-1937г.г.).  Резерфорд установил закон рассеяния  - частиц при их прохождении через вещество, что привело его к открытию в  1911 г. в атоме плотного образования диаметром около  10 ^–12 см, заряженного положительно.  Н. Бор   создал теорию атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим законам. Это была первая квантовая  модель атома.  В центре атома на находится положительное ядро, вокруг которого вращаются  каждый на своей орбите электроны ( планетарная модель).  При движении по стационарной орбите, вопреки законам электродинамики, электрон не излучает энергию, но может скачком перейти на другую орбиту, испуская или поглощая при этом  квант энергии, равный разности энергий стационарных орбит.   За  создание квантовой  теории планетарного атома  Н. Бор в 1922 г. удостоен Нобелевской премии.

В физику вошла «дикая» идея какой-то внутренней связи дискретного и непрерывного, корпускулы и волны, корпускулярно-волнового дуализма, двойственности. Излучение чёрного тела, фотоэффект, эффект Комптона – служат доказательством квантовых ( корпускулярных)  представлений о свете как о потоке фотонов. А явления интерференции, дифракции, поляризации света убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны,  не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает только какое-либо одно из них  в зависимости от условий эксперимента.

Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми свойствами света проявляется в статистическом подходе к рассмотрению закономерностей распространения света. Например, дифракция света состоит в перераспределении фотонов в пространстве. Максимальное число фотонов попадает в область дифракционного максимума и здесь интенсивность света максимальна. Освещенность экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов и пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке экрана. Следовательно, квадрат  амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.

В 1924 г. французский физик-теоретик  Луи де Бройль(18    — 1987)  в докторской диссертации распространил  идею Эйнштейна о  двойственной природе света на веще

ство: любая движущаяся микрочастица сопровождается неким волновым процессом, длина волны  которого обратно пропорциональна импульсу частицы:   .

Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными,   присущи  всем  видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже  макротелам.

В 1927 г. американские аспиранты  Клинтон  Дэвиссон (1881-1958г.г.)  и  Лестер Джермер (1896-1971г.г) обнаружили, что пучок электронов,  рассеивающийся от кристалла никеля, даёт отчётливую  дифракционную картину,   длина волны   для наблюдаемой картины равна  в точности  дебройлевской  волне. Затем в экспериментах с атомами гелия, с быстрыми электронами сквозь фольгу и, наконец, с отдельными электронами были продемонстрированы дифракционные картины. Волновые свойства оказались присущи не только коллективу частиц, а и каждой отдельной частице. В атоме водорода стационарной оказалась такая орбита, вдоль длины которой укладывается целое число длин волн де Бройля  для данного электрона. Открытие волновых свойств микрочастиц  используется  в новых методах исследования структуры вещества – электронографии, нейтронографии   и  в  электронной оптике.

Волны де Бройля отличаются от физических волн, например, от звуковых  или электромагнитных. Волны де Бройля не обладают энергией, массой, они являются волнами  вероятности, математической формой описания поведения микрочастиц. Микромир – особый мир природы, который потребовал новый аппарат  для  понимания явлений, которые в нём происходят. Так, нельзя говорить о движении микрочастицы по определённой траектории с каким-то  определённым значением скорости, импульса. Их просто не существует !  Фраза «длина волны в данной точке пространства» просто бессмысленна,  а импульс связан с длиной волны, то есть  тоже становится  неопределённым.   Немецкий физик-теоретик  Вернер Гейзенберг (1901-1976г.г.)  сформулировал в 1927г. принцип неопределённостей, согласно которому микрочастица не может иметь одновременно и определённую координату  х  и  определённый импульс p. Эти величины своими неопределёностями   Dх   и  Dр  связаны  постоянной  Планка : Dx*Dp = h . Невозможность одновременно точно определить координату и соответствующую проекцию импульса не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов, а является следствием их корпускулярно-волновых свойств. Соотношение неопределённостей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Немецкий физик  Макс Борн (1882-1970г.г.) предположил, что  движущаяся микрочастица описывается волновой функцией  , квадрат модуля   амплитуды которой определяет вероятность нахождения  частицы в данный момент времени в заданной области пространства. Волновая функция имеет статистический, вероятностный характер. Волновую функцию находят из основного уравнения квантовой механики – уравнения, составленного  австрийским физиком  Эрвином    Шрёдингером  (1887-1961г.г.)  в 1926г.  Из уравнения  Шрёдингера следует квантование энергии частицы и других её характеристик, а состояние системы микрочастиц однозначно определяется предшествующим состоянием, то есть заданием  волновой функции в начальный  момент времени,  значит,  в квантовой механике не нарушается принцип причинности.  Квантовая механика не противоречит и классической физике и при больших значениях  квантовых чисел её законы  переходят в классические ( энергия свободного электрона после ионизации атома не квантуется) – это выполнение принципа соответствия Н. Бора. 

Итак, микрообъект  не есть ни корпускула, ни волна, ни единство того и другого. Он нечто третье, для чего у нас нет адекватного наглядного образа,  но  что может быть описано на диалектическом  языке  единства противоположностей. Мы,  люди,  не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна  микромиру.  Но мы можем согласиться с фундаментальным принципом  единства противоположностей – единством  корпускулярного и полевого аспектов. Категории прерывного и непрерывного огрубляют неисчерпаемую объективную реальность.  Изучая микромир, человек использует приборы. Любой прибор должен давать на выходе макроскопический результат: либо волновой, либо корпускулярный. В результате  такого огрубления действительности и  постоянного преодоления этого огрубления человек познаёт неисчерпаемость, сложность, противоречивость  реального мира.  Это состояние науки  Нильс  Бор  сформулировал как ещё один  фундаментальный принцип – принцип дополнительности:

«Понятие волны и частицы дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

« Противоположности не противоречивы, а дополнительны».

«Противоположности дополнительны, так как образуют единство».                                    Эти фразы  были  произнесены  на  научных конференциях весной  1961 г., когда  Нильс  Бор находился в  Советском Союзе.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. Н. Борн образно заметил, что волны и частицы — это "проекции" физической реальности на экспериментальную ситуацию.

С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой величины не имеет значения. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе "картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Как происходит распространение света по Гюйгенсу?

2) Какие явления объясняются волновой природой света?

3) Какое явление называется интерференцией света?

4) Какое условие необходимо для интерференции света?

5)  Какое явление называется дифракцией?

6)  Какое явление называется поляризацией света?

7)  Как объяснить явление дисперсии света?

8)  Какое явление называется фотоэффектом?

9)  Какие законы фотоэффекта противоречили волновой теории света?

10) Каковы трудности теории эфира?

11) Каково содержание гипотезы Макса Планка о квантах энергии?

12) Какова связь между длиной волны и импульсом фотона?

13) За что Артур Комптон получил Нобелевскую премию?

14) Что означает умозаключение «свет представляет собой единство дискретности и непрерывности»?

15) Что такое "ультрафиолетовая катастрофа" в физике?

16) В чём смысл гипотезы Макса  Планка о квантах?

17) В чём состоит двойственная природа света?

18) Какова модель атома по Нильсу Бору?

19) Каковы противоречия планетарной модели атома?

20) О чём говорят постулаты Нильса Бора?

21) В чём смысл гипотезы Луи де Бройля?

22) В чём смысл волновой функции де Бройля по Максу Борну?

23) Каковы   экспериментальные   подтверждения   гипотезы  де Бройля?

24) В чём смысл корпускулярно-волнового дуализма в современной физике?

25) Какова суть соотношения неопределенностей Гейзенберга?

26) Почему соотношение неопределенностей является абсурдом, с точки зрения классической механики?

27) Каково содержание фундаментального принципа квантовой механики – принципа  дополнительности  Нильса Бора?