КЭД – странная теория света и вещества

Фейнман Ричард

Когда мы светим красным и синим светом на масляную пленку, появляются разводы красного, синего и фиолетового цветов, разделенные черными границами. Когда солнечный свет, состоящий из красного, желтого, зеленого и синего, падает на лужу с масляной пленкой, участки, сильно отражающие каждый из этих цветов, перекрываются и дают всевозможные сочетания, которые наши глаза видят как разные цвета. Когда масляная пленка расползается и движется по поверхности воды, разноцветные разводы постоянно меняются. (С другой стороны, если бы вы посмотрели на эту же лужу ночью, при свете натриевого уличного фонаря, вы бы увидели только желтоватые полосы, разделенные черным – потому что такие фонари испускают свет только одного цвета.)

Это появление разных цветов, вызываемое частичным отражением

белого света от двух поверхностей, называется иризацией или радужностью и наблюдается во многих местах. Возможно, вы удивлялись, как получается переливчатая раскраска колибри и павлинов. Теперь вы знаете. Как возникли переливчатые цвета – это тоже интересный вопрос. Любуясь павлином, мы должны отдать должное поколениям тусклых самок за то, что они были так разборчивы в выборе себе пары. (Человек вышел на сцену позже и рационализировал селекцию павлинов.)

В следующей лекции я покажу вам, как при помощи этого забавного комбинирования стрелочек правильно рассчитать другие знакомые вам явления: что свет распространяется по прямой, что он отражается от зеркала под таким же углом, что и падает на него («угол падения равен углу отражения»), что линза фокусирует свет и т. д. Эта новая концепция опишет все, что вы знаете о свете.

Лекция 2. Фотоны: частицы света

Это вторая лекция цикла, посвященного квантовой электродинамике, и так как очевидно, что никого из вас не было на прошлой лекции (потому что я всех предупреждал, что никто ничего не поймет), я вкратце повторю основные положения первой лекции.

Мы говорили о свете. Первое важное свойство света заключается в том, что он состоит из частиц: когда очень слабый монохроматический свет (свет одного цвета) попадает в детектор, детектор щелкает с одинаковой громкостью и все реже и реже по мере того, как свет тускнеет.

Другое важное свойство света, обсуждавшееся в первой лекции, – это частичное отражение монохроматического света. От единственной поверхности стекла отражается в среднем 4 % всех попадающих на нее фотонов. Это уже неразрешимая загадка, так как невозможно предсказать, какие фотоны отразятся, а какие пройдут насквозь. Когда появляется вторая поверхность, результаты странные: вместо ожидаемых 8 % отражения от двух поверхностей частичное отражение то усиливается до 16 %, то совсем исчезает, в зависимости от толщины стекла.

Это странное явление частичного отражения от двух поверхностей может быть объяснено для интенсивного света волновой теорией, но волновая теория не может объяснить, каким образом детектор издает одинаково громкие щелчки, когда свет тускнеет. Квантовая электродинамика «разрешает» вопрос о корпускулярно-волновом дуализме света, утверждая, что свет состоит из частиц (как считал в свое время Ньютон). Но ценой этого великого продвижения науки стало отступление физики на позицию, где признается возможным только вычисление вероятности того, что фотон попадет в детектор, и не предлагается хорошей модели того, как это в действительности происходит.

В первой лекции я рассказал, каким образом физики вычисляют вероятность того или иного события. Они рисуют на листе бумаги стрелки в соответствии со следующими правилами:

– ВЕЛИКИЙ ПРИНЦИП. Вероятность события равна квадрату длины стрелки, называемой «амплитудой вероятности». Например, стрелка длиной 0,4 соответствует вероятности 0,16, или 16 %.

– ОБЩЕЕ ПРАВИЛО рисования стрелок, если событие может произойти разными способами: нарисовать стрелку для каждого способа и затем соединить стрелки («сложить» их), цепляя голову одной за хвост другой. «Результирующая стрелка» проводится от хвоста первой стрелки к голове последней. Квадрат результирующей стрелки дает вероятность всего события в целом.

Было также несколько специальных правил для проведения стрелок в случае частичного отражения от стекла (их можно найти на с. 36–39).

Все вышесказанное представляет собой беглый обзор первой лекции.

Теперь я хотел бы показать

вам, как эта модель мира, так разительно отличающаяся от всего, с чем вы встречались до сих пор (что, возможно, вы надеетесь с ней никогда больше не встретиться), может объяснить все известные вам простые свойства света: когда свет отражается от зеркала, угол падения равен углу отражения; свет отклоняется, попадая из воздуха в воду; свет распространяется по прямой; линза фокусирует свет и т. д. Теория также описывает многие другие свойства света, с которыми вы, возможно, и не знакомы. Самая большая трудность, с которой я столкнулся во время подготовки этих лекций, состояла в том, чтобы устоять перед искушением объяснить все вещи, связанные со светом, которые вы так долго изучали в школе. Например, отклонение света в область тени – то, что называется дифракцией. Но так как большинство из вас не наблюдало внимательно этих явлений, я не буду их касаться. Однако я могу гарантировать (в противном случае примеры, которые я собираюсь продемонстрировать, вводили бы вас в заблуждение), что любое явление, связанное со светом, которое было тщательно изучено, можно объяснить квантовой электродинамикой; хотя я буду описывать только простейшие и самые известные явления.

Начнем с зеркала и с вопроса о том, как от него отражается свет (см. рис. 19). В точке S имеется источник, испускающий очень слабый свет одного цвета (возьмем опять красный цвет). Источник испускает каждый раз по одному фотону. В точку Р поставим фотоумножитель, чтобы детектировать фотоны. Поставим его на той же высоте, что и источник – будет проще рисовать стрелки, если все симметрично. Мы хотим вычислить вероятность того, что детектор щелкнет после вылета фотона из источника. Так как фотон может полететь прямо в детектор, поставим экран в Q, чтобы это предотвратить.

Рис. 19. Согласно классической картине мира зеркало будет отражать свет там, где угол падения равен углу отражения, даже если источник и детектор находятся на разных уровнях, как показано в случае б. [В дальнейшем на рисунках источник изображается буквой S (от source), фотоумножитель – Р (от photomultiplier). – Примеч. пер.]

Мы могли ожидать, что весь свет, достигающий детектора, должен отражаться от середины зеркала, так как именно в этом месте угол падения равен углу отражения. И кажется довольно очевидным, что части зеркала вблизи обоих его концов имеют такое же отношение к отражению, как к цене сыра, не так ли?

Хотя вы можете думать, что части зеркала вблизи обоих концов не имеют никакого отношения к отражению света, попадающего из источника в детектор, давайте посмотрим, что может сказать по этому поводу квантовая теория. Правило: вероятность того, что данное событие произойдет, равна квадрату результирующей стрелки, которую найдем, начертив стрелки для каждого способа, которым может произойти событие, и затем соединив («сложив») их. В эксперименте по измерению частичного отражения света от двух поверхностей было два пути, которыми фотон мог попасть из источника в детектор. В этом эксперименте (отражение от одной поверхности) фотон может лететь миллионом различных путей: он может попасть в левую часть зеркала в А или в В (например) и отскочить в детектор (см. рис. 20); он может отскочить от той части, от какой он, по вашему мнению, и должен отскакивать – от G; или он может попасть в правую часть зеркала в К или М и отскочить оттуда. Вы можете подумать, что я сошел с ума, так как в большинстве названных мною случаев угол падения не равен углу отражения. Но я не сошел с ума, потому что в действительности свет распространяется именно так! Как это может быть?