Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Kwanty
Ciągłość i . . .
Elementarne kwanty
Kwanty światła
Widma światła
Fale materii
Fale prawdopodob.
Fizyka i rzeczywistość
Streszczamy
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Kwanty światła
 
Kwanty światła
 
W
yobraźmy sobie mur wzniesiony nad brzegiem morza. Fale morskie bezustannie uderzają o mur, zmywają część jego powierzchni i cofają się, ustępując miejsca nowym falom. Masa muru maleje i możemy zapytać, ile muru ubywa w ciągu na przykład roku. A teraz przedstawmy sobie inny proces. Chcemy zmniejszyć masę muru o tyle samo co poprzednio, ale w inny sposób. Strzelamy do muru, a padające kule odłupują go. Masa muru zmaleje i można sobie doskonale wyobrazić, że w obu wypadkach osiągnięto ten sam ubytek. Ale z wyglądu ściany można łatwo stwierdzić, czy przyczyną ubytku była ciągła fala, czy nieciągły grad kul. Zapamiętajmy tę różnicę między falami morskimi a gradem kul; pomoże nam ona zrozumieć zjawiska, o których teraz będzie mowa.
       Powiedzieliśmy poprzednio, że rozżarzony drut wysyła elektrony. Teraz zapoznamy się z innym sposobem wyrywania elektronów z metalu. Na powierzchnię metalu pada jednorodne światło, na przykład fioletowe, które, jak wiemy, jest światłem o określonej długości fali. Światło wyrywa elektrony z metalu. Elektrony zostają wyrzucone z metalu i pędzą gromadnie przed siebie z pewną prędkością. Z punktu widzenia zasady zachowania energii możemy powiedzieć, że energia światła przekształca się częściowo w energię kinetyczną wyrzuconych elektronów. Współczesna technika doświadczalna pozwala rejestrować te pociski elektronowe, wyznaczać ich prędkości i energie. To wyrywanie elektronów z metalu przez padające na metal światło nazywa się zjawiskiem fotoelektrycznym.
       Naszym punktem wyjścia było działanie jednorodnej fali świetlnej o określonym natężeniu. Musimy teraz, jak w każdym doświadczeniu, zmienić jego warunki, aby zobaczyć, jak wpłynie to na obserwowane zjawisko.
       Zacznijmy od zmiany natężenia jednorodnego światła fioletowego padającego na płytkę metalową i zbadajmy, w jakim stopniu energia wysłanych elektronów zależy od natężenia światła. Spróbujmy najpierw znaleźć odpowiedź nie doświadczalnie, lecz na drodze rozumowej. Moglibyśmy rozumować tak: w zjawisku fotoelektrycznym pewna określona część energii promieniowania przekształca się w energię ruchu elektronów. Jeśli ponownie naświetlimy metal światłem o tej samej długości fali, ale pochodzącym z silniejszego źródła, to energia wysyłanych elektronów powinna być większa, gdyż promieniowanie jest bogatsze w energię. Dlatego powinniśmy się spodziewać, że ze wzrostem natężenia światła prędkość wysyłanych elektronów będzie wzrastać. Ale doświadczenie znów przeczy naszej przepowiedni. Raz jeszcze przekonujemy się, że prawa przyrody nie są takie, jakimi byśmy je chcieli widzieć. Doszliśmy do doświadczenia, które – zaprzeczając naszym przepowiedniom – obala teorię, na której się one opierały. Prawdziwy wynik doświadczenia jest z punktu widzenia teorii falowej zdumiewający. Wszystkie zaobserwowane elektrony mają tę samą prędkość i tę samą energię, która się nie zmienia, gdy wzrasta natężenie światła.
       Tego wyniku doświadczenia nie mogła przewidzieć teoria falowa. Nowa teoria rodzi się i tym razem z konfliktu między starą teorią a doświadczeniem. Bądźmy rozmyślnie niesprawiedliwi wobec falowej teorii światła, zapomnijmy o jej wielkich zdobyczach, o świetnym wytłumaczeniu uginania się światła na bardzo małych przeszkodach. Skupiając uwagę na zjawisku fotoelektrycznym, zażądajmy od teorii należytego wyjaśnienia tego zjawiska. Oczywiście nie możemy wyprowadzić z teorii falowej niezależności energii elektronów od natężenia światła, które posłużyło do wyrwania ich z płytki metalowej. Dlatego spróbujemy zastosować inną teorię. Pamiętamy, że teoria korpuskularna Newtona, tłumacząc wiele obserwowanych zjawisk świetlnych, nie potrafiła zdać sprawy z uginania się światła, które teraz świadomie pomijamy. Za czasów Newtona nie istniało pojęcie energii. Korpuskuły świetlne były według Newtona nieważkie; każda barwa zachowywała swój charakter odrębnej substancji. Później, gdy wprowadzono pojęcie energii i stwierdzono, że światło niesie energię, nikt nie myślał o stosowaniu tych pojęć do korpuskularnej teorii światła. Teoria Newtona była pogrzebana i aż do naszego stulecia nikt nie liczył się poważnie z możliwością jej zmartwychwstania.
       Aby zachować zasadniczą myśl teorii Newtona, musimy założyć, że jednorodne światło składa się z ziarenek energii, i zastąpić dawne korpuskuły świetlne kwantami światła, małymi porcjami energii biegnącymi w próżni z prędkością światła; te kwanty światła nazwiemy fotonami. Odrodzenie się teorii Newtona w tej nowej postaci prowadzi do kwantowej teorii światła. Nie tylko materia i ładunek elektryczny, lecz również energia promieniowania ma strukturę ziarnistą, to znaczy zbudowana jest z kwantów światła. Obok kwantów materii i kwantów elektryczności istnieją także kwanty energii.
       Koncepcję kwantów energii po raz pierwszy wprowadził na początku bieżącego stulecia Planck, aby wyjaśnić pewne zjawiska znacznie bardziej złożone niż zjawisko fotoelektryczne. Ale właśnie zjawisko fotoelektryczne najwyraźniej i najprościej wskazuje na konieczność zmiany naszych starych pojęć.
       Od razu widać, że taka kwantowa teoria światła wyjaśnia zjawisko fotoelektryczne. Na płytkę metalową pada grad fotonów. Oddziaływanie między promieniowaniem a materią składa się tu z bardzo wielu pojedynczych procesów, w których foton zderza się z atomem i wybija zeń elektron. Wszystkie te pojedyncze procesy są do siebie podobne, toteż wyrzucony elektron będzie miał w każdym przypadku taką samą energię. Rozumiemy również, że zwiększenie natężenia światła oznacza w naszym nowym języku zwiększenie się liczby padających fotonów. W tym przypadku wyrzucana będzie z płytki metalowej inna liczba elektronów, ale energia każdego z nich nie ulegnie zmianie. Widzimy więc, że teoria ta pozostaje w znakomitej zgodności z doświadczeniem.
       Co się stanie, jeśli na powierzchnię metalu padać będzie wiązka jednorodnego światła o innym kolorze, na przykład nie fioletowego, lecz czerwonego? Pozwólmy na to pytanie odpowiedzieć doświadczeniu. Trzeba zmierzyć energię wyrwanych elektronów i porównać ją z energią elektronów wytrąconych przez światło fioletowe. Energia elektronu wyrwanego przez światło czerwone okazuje się mniejsza od energii elektronu wyrwanego przez światło fioletowe. Znaczy to, że energia kwantów świetlnych jest różna dla różnych barw. Fotony związane z barwą czerwoną mają energię dwa razy mniejszą od energii fotonów związanych z kolorem fioletowym. Lub ściślej: energia kwantu świetlnego związanego z jednorodną barwą maleje proporcjonalnie do wzrostu długości fali. Między kwantami energii a kwantami elektryczności istnieje zasadnicza różnica. Kwanty światła są różne dla każdej długości fali, podczas gdy kwanty elektryczności są zawsze takie same. Gdybyśmy chcieli posłużyć się jedną z poprzednio użytych analogii, należałoby porównać kwanty światła do najmniejszych kwantów pieniądza, które są w każdym kraju inne.
       Nadal nie bierzmy pod uwagę falowej teorii światła i załóżmy, że światło ma budowę ziarnistą oraz że składa się z kwantów światła, fotonów, poruszających się w przestrzeni z prędkością światła. Światło jest więc w naszym nowym obrazie gradem fotonów, a foton jest elementarnym kwantem energii świetlnej. Jeśli jednak nie uwzględniać teorii falowej, to znika pojęcie długości fali. Jakim nowym pojęciem je zastąpimy? Energią kwantu światła! Twierdzenia wypowiedziane z terminologii teorii falowej można przetłumaczyć na twierdzenia kwantowej teorii promieniowania. Na przykład:
 
 T e r m i n o l o g i a   t e o r i i   f a l o w e j T e r m i n o l o g i a   t e o r i i   k w a n t ó w
Światło jednorodne ma określoną długość fali. Długość fali jest dla czerwonego krańca widma dwa razy większa niż dla krańca fioletowego.Światło jednorodne zawiera fotony o określonej energii. Energia fotonu jest dla czerwonego krańca widma dwa razy mniejsza niż dla krańca fioletowego.
 
Obecny stan rzeczy możemy podsumować, jak następuje: istnieją zjawiska, które można wytłumaczyć, posługując się teorią kwantów, a nie można, używając teorii falowej. Przykładem może być zjawisko fotoelektryczne, choć znane są i inne takie zdarzenia. Istnieją zjawiska, które można wytłumaczyć za pomocą teorii falowej, a nie można za pomocą teorii kwantów. Typowym przykładem jest tu uginanie się światła na przeszkodach. Istnieją wreszcie zjawiska, jak na przykład prostoliniowe rozchodzenie się światła, które można wytłumaczyć równie dobrze, posługując się kwantową teorią światła, jak i teorią falową.
       Ale czym jest światło naprawdę? Falą czy gradem fotonów? Podobne pytanie zadawaliśmy już uprzednio, pytając: czy światło jest falą, czy gradem korpuskuł świetlnych? Mieliśmy wówczas wszelkie powody, by odrzucić korpuskularną teorię światła i przyjąć teorię falową, która obejmowała wszystkie zjawiska. Teraz jednak zagadnienie jest znacznie bardziej złożone. Wydaje się, że nie ma widoków na stworzenie konsekwentnego opisu zjawisk świetlnych drogą wyboru tylko jednego z obu możliwych języków. Wygląda na to, że trzeba używać raz jednej teorii, raz drugiej, choć czasem można stosować bądź jedną, bądź drugą. Trudność, przed którą stoimy, jest zupełnie nowego rodzaju. Mamy dwa sprzeczne ze sobą obrazy rzeczywistości; żaden z nich wzięty z osobna nie wyjaśnia w pełni zjawisk świetlnych, ale razem wyjaśniają!
       W jaki sposób można połączyć z sobą te dwa obrazy? Jak rozumieć owe skrajnie różne oblicza światła? Jest to nowa trudność, niełatwa do przezwyciężenia. Stajemy znów wobec problemu o podstawowym znaczeniu.
       Przyjmijmy na chwilę kwantową teorię światła i spróbujmy, posługując się nią, zrozumieć te fakty, które dotąd objaśniała teoria falowa. W ten sposób podkreślimy trudności, które sprawiają, że obie teorie wydają się na pierwszy rzut oka nie do pogodzenia.
       Pamiętamy, że przechodząca przez maleńki otworek wiązka jednorodnego światła daje jasne i ciemne pierścienie. Czy można zrozumieć to zjawisko za pomocą kwantowej teorii światła, nie posługując się teorią falową? Foton przechodzi przez otwór. Można by się spodziewać, że ekran będzie jasny, jeśli foton przejdzie, zaś ciemny, jeśli foton nie przejdzie. Tymczasem znajdujemy jasne i ciemne pierścienie. Moglibyśmy to tłumaczyć tak: być może między krawędzią otworu a fotonem istnieje jakieś oddziaływanie, które powoduje pojawienie się pierścieni dyfrakcyjnych. Oczywiście trudno uważać to zdanie za wyjaśnienie. Wskazuje ono co najwyżej drogę do wyjaśnienia, dając przynajmniej jakąś nadzieję na przyszłość – zrozumienia dyfrakcji jako oddziaływania między materią a fotonami.
       Ale nawet tę słabą nadzieję przekreśla przebieg innego doświadczenia przytoczony już uprzednio. Weźmy dwa małe otworki. Przechodzące przez te otworki jednorodne światło daje na ekranie jasne i ciemne prążki. Jak należy rozumieć to zjawisko z punktu widzenia kwantowej teorii światła? Moglibyśmy rozumować tak: foton przechodzi przez jeden z dwóch otworków. Jeżeli foton jednorodnego światła jest elementarną cząstką światła, to trudno sobie wyobrazić, by się dzielił i przechodził przez oba otworki. Ale w takim razie powinniśmy mieć dokładnie to samo zjawisko, co uprzednio – jasne i ciemne pierścienie, a nie jasne i ciemne prążki. Jak to jest możliwe, aby obecność drugiego otworka całkowicie zmieniała zjawisko? Widocznie otworek, przez który foton nie przechodzi i który może się nawet znajdować w pewnej odległości, zmienia pierścienie w prążki! Jeśli foton zachowuje się jak korpuskuła w fizyce klasycznej, musi przejść przez jeden z dwóch otworów. Ale wtedy zjawiska dyfrakcji wydają się zupełnie niezrozumiałe.
       Nauka każe nam tworzyć nowe pojęcia, nowe teorie. Celem ich jest burzenie muru sprzeczności, który często tamuje drogę postępowi wiedzy. Wszystkie zasadnicze idee naukowe zrodziły się z dramatycznego konfliktu między rzeczywistością a naszymi próbami jej zrozumienia. Obecnie znów mamy problem, do którego zrozumienia potrzebne są nowe idee. Zanim spróbujemy zdać sprawę z wysiłków, jakie fizyka współczesna czyni dla wyjaśnienia sprzeczności między kwantowym a falowym obliczem światła, wykażemy, że dokładnie ta sama trudność pojawia się, gdy mamy do czynienia nie z kwantami światła, lecz z kwantami materii.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach