Давайте посмотрим, как ученые заморочились на интерференции, и что из этого получилось. Во все нижесказанное трудно въехать с первого раза, поэтому помните, что совершенно не стыдно перечитать написанное несколько раз и даже подглядеть в Википедии. Мы и сами написали эту главу с десятой попытки и в процессе не стеснялись в выражениях.
Перед нами картинка, показывающая устройство простейшего интерферометра. Его соорудил тот самый разрушитель легенд Майкельсон для расчета длин волны света и заодно для попыток поиска светоносного эфира.
Итак, у нас имеется источник света (на самом деле светит специально подготовленный светильник, чтобы не смешивались разные длины волн, но свечка на иллюстрации выглядит душевно). Свет направляется на полупрозрачное зеркало посередине. Полупрозрачное зеркало — это такое зеркало, которое хочет — пропускает свет, а хочет — отражает. Короче говоря, в половине случаев свет проходит через зеркало, а в другой половине случаев — отражается. Занятная штука. Тонировка на нашем заниженном автовазике так же работает, если что.
В точке 1 траектория светового потока делится на две новые траектории, по которым свет устремляется к двум нормальным зеркалам, и в точках, отмеченных цифрой 2, отражается.
Не отвлекаемся! Следим за нарисованным. Отраженный от обоих зеркал свет возвращается к полупрозрачному зеркалу и в точках 3 снова делится. Нас интересуют только те траектории, которые отправляют поток света к экрану. Там на экране два луча пересекаются под некоторым углом. Две волны накладываются друг на друга, гребни и впадины суммируются, и на экране появляется обычная и не очень впечатляющая интерференционная картина из светлых и темных полосок.
Ну, все нормально, сказали ученые. Тут как раз все понятно! Свет от источника делится пополам, и затем два луча интерферируют. Свет — это волна, и не о чем больше говорить! В те времена считалось, что амплитуда световой волны, чем бы она ни была, пропорциональна интенсивности света. А если быть точнее, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. То есть увеличиваем интенсивность света, и интерференционные полоски становятся ярче. Если взять за аналогию морскую волну, то высокая мощная волна впечатает вас в прибрежную скалу сильнее, чем низкая. Логичненько?
Но появился Эйнштейн со своим фотоэффектом. Мы уже относительно подробно рассказывали об этом в предыдущих лекциях, но не грех вкратце напомнить. Если направить свет на специальный материал (фотопластинку), то он будет выбивает из нее электроны. Казалось бы, чем ярче будем светить на пластинку, тем быстрее оттуда будут электроны вылетать. Чем ярче свет, чем он интенсивнее, чем больше его амплитуда, тем выше будет скорость выбиваемых электронов — снова вспомним про мощную такую морскую волну.
В реальности все оказалось не так. Чем выше была яркость света, тем больше выбивалось электронов. А скорость их вылета была одинакова. Хоть обставь всю лабораторию прожекторами. Стоило же изменить длину световой волны, то электроны неожиданно меняли скорость. Если взять самую длинную волну видимого света — красный свет — то тогда электроны вообще переставали вылетать. Какого, спрашивалось, лешего? Это была засада. И эту загадку разгадал Эйнштейн. За что ему дали нобелевку, хотя кому-то хотелось дать ему по щщам: все испортил и открыл ящик Пандоры.
В это время, снова напомним, некий Макс Планк показал мужикам смешную шутку. Он на досуге рассчитывал, как излучает тепло «сферический конь в вакууме» — абсолютно черное тело. Если считать по формулам Максвелла, то в итоге насчитывалась бесконечная энергия — у нас, между прочим, местные энергетики и работники тепловых сетей так же, похоже, считают. А Планк взял и придумал удачную формулу, чтобы подогнать расчет под ответ. Никогда такого не было, и вот опять. Ох уж эти ученые: вечно выдумывают, подгоняют результаты, а потом награждают друг друга и выписывают гранты.
В общем, получалось, что тепло идет не бесконечным потоком, а кусками — их назвали квантами тепла. Ну как в интернете — пакеты летят, так и тут, тепло кусками вылезает из сферического коня в вакууме. И Планк попросил Альберта заценить шутку, мол, гляди: кванты какие-то, дискретность, математические абстракции… Эйнштейн же юмора не понял, а взял и применил идейку к волне света. И спросил себя, а потом и остальных, что если световая волна тоже излучается порциями. Эту порцию он назвал квантом света (позже — фотоном). Фотоны в некоторых случаях вели себя как частицы. Кончилась история тем, что Планк обиделся на Эйнштейна и до конца жизни клал на квантовую теорию интерферометр.
А вот дальше началось то, от чего сам Эйнштейн испытал знатное удивление и в итоге тоже на всех обиделся. Как дядюшка Альберт объяснил фотоэффект? Легко и по-пацански! Один квант света выбивает ровно один электрон. Как частица частицу. Поэтому увеличиваем интенсивность света: летит больше фотонов, выбивается больше электронов. Энергия выбивания всё та же. Но если мы меняем фотону цвет, то электроны вылетают с иными скоростями. Беда в том, что цвет фотона описывается волновыми свойствами, а именно: длиной волны и частотой. Получалось, что энергия этого самого фотона зашифрована в цвете фотона, то есть в частоте. Если цвет красный, то фотоны просто не в силах выбить электроны из фотопластинки — вся их энергия уходит на преодоления так называемой «энергии связи» — электроны же не так просто выдернуть из материала, они там как бы закреплены. И нужно потратить какие-то силы, чтобы их выбить. А если свет голубой, то электроны выбиваются и даже летят быстрее всех. Еще раз, чтобы не перечитывать: энергия фотона зависит от его цвета, а не амплитуды, а цвет — это волновая характеристика. Частица имеет свойство волны.
Все это было неприятно. Давайте нарисуем интерферометр глазами Эйнштейна:
Здесь у нас происходит смена концепции. К зеркалам летит уже не волна, а кванты-фотоны-частицы. Пытающийся спасти положение классический доквантовый физик рассуждает так: фотоны летят до зеркала, далее случайным образом расщепляются на два пучка по половине фотонов в каждом, и в итоге после всех приключений эти пучки интерферируют. Странно, конечно, что частицы интерферируют как волны, но вот такая природа света. Давайте назовем это явление корпускулярно-волновым дуализмом и забудем обо всем этом недоразумении.
К несчастью теоретиков в проблему вмешались технологии.
Сначала более точный эксперимент показал, что как не меняй интенсивность света — интерференционная картинка не меняется. А должна бы, если интенсивность — это энергия. Полоски не становились шире или ярче. Интенсивность света влияла только на скорость проявления картинки на экране. Если запускать фотоны малыми порциями всего-то по паре сотен миллиардов за раз, то картинка на экране будет постепенно становиться всё четче и четче. А если выстрелить добрым куском из пары тысяч триллионов фотонов, то сразу получится отличная фоточка.
Как мы сказали выше, физики, включая Эйнштейна, по-прежнему говорили, ну и что, фотоны из первого пучка интерферируют с фотонами из второго пучка. Допустим, только допустим, что энергия не зависит от интенсивности — ну и, ладушки. Мы выдумали термин «корпускулярно волновой дуализм» — пользуйтесь.
Но это было полбеды. Инженеры как раз собрали устройство, которое называется «квантовый генератор» или лазер, по-нашему. Квантовый генератор умел делать одну прикольную вещь: стрелять одиночным фотоном. Теперь то станет понятно, как получается интерференция, обрадовались ученые и крикнули: к коллайдеру! — то есть к интерферометру!
Некоторые читатели уже сообразили, что запущенный фотон прошел через интерферометр и влетел в экран, оставив точечный след. Ученые запустили следующий фотон. На экране появилась вторая точка. Полет нормальный. Затем точно так же по одному было запущено еще несколько миллионов фотонов. И экспериментаторы схватились за головы: из точек на экране сложилась картина из полосок — старая добрая интерференция, будь она не ладна. Здравый смысл нервно курил в сторонке. Запущенный через щель мяч обязательно прилетает в центр стены напротив! А здесь выходило, что одиночный фотон проходит через адскую машинку и каким-то образом укладывается в строго заданный рисунок так, чтобы получились загадочные интерференционные полоски. А науке известно, что интерференционная картинка получается только в тех случаях, когда встречаются, как минимум, две волны, когда в результате наложения двух максимумов появляется еще более крутая волна. Караул! Приводя в качестве аналогии морскую волну, представим, что мы кидаем в воду булыжник, волны от него расходятся в разные стороны, но по законам магии волна касается берега только в одной точке и нигде больше. Как это можно объяснить?
