Файл: Дойч. Структура Реальности.doc

На рисунке 2.1видно, что около фонарика свет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как луч расширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся в луче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше, а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бы так? Способен ли свет действительно рас­пространяться неограниченно все более тонкими лучами? Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысяч километров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глаз мог его раз­личить, и наблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; а животное с более чувствительным зрением? Глаза ля­гушки в несколько раз чувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствовать ощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем была лягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда она полностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушка увидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравные промежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления ля­гушки от фонарика. Но отдельные вспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров от фонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но эта вспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другого расстояния.

Рис. 2.2. Лягушки могут видеть отдельные фотоны

Лягушки не могут рассказать нам, что они видят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используем фотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышает чувстви­тельность глаз лягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через тем­ные фильтры, а не наблюдаем его на расстоянии ста миллионов кило­метров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого не меняются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причем вспышки —одинаково яркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцание показывает, что сущест­вует предел равномерного распространения света. Пользуясь термино­логией ювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно «ков­ким». Подобно золоту небольшое количество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, в конечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Даже если можно как-нибудь предотвратить группирование атомов золота, существует предел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не перестало быть золотом. Поэтому единственный способ сделать золо­той лист толщиной в один атом еще тоньше -расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними было пустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга, заблужде­нием будет считать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золота находился бы в среднем на расстоянии несколь­ких сантиметров от своего ближайшего соседа, можно было бы провес­ти рукой через «лист», не прикасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарик или «атом»,

---

фотон.Каждая вспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ее глаз. Луч света становится слабее не потому, что са­ми фотоны ослабевают, а потому, что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между ними увеличивается (рисунок 2.2).Очень слабый луч неправомерно называть «лучом», поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит не потому, что свет, по­падающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать на сетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.

Это свойство появления света в виде шариков дискретных разме­ров называется квантованием.Отдельный шарик, фотон, называетсяквантом(во множественном числекванты).Квантовая теория полу­чила свое название от этого свойства, которое она приписывает всем измеримым физическим величинам, а не только количеству света или массе золота, которые квантуются, поскольку на самом деле состоят из частиц, хотя и выглядят непрерывными. Даже для такой величины, как расстояние (например, между двумя атомами), понятие непрерывного диапазона возможных величин оказывается идеализацией. В физике не существует измеримых непрерывных величин. В квантовой физике су­ществует множество новых явлений, и, как мы увидим, квантование — одно из простейших. Однако в некотором смысле оно остается ключом ко всем остальным явлениям, поскольку если все квантуется, каким образом может изменяться значение какой-то величины? Как объект попадает из одногоместав другое, если не существует непрерывного диапазона промежуточных положений, где он может находиться по пу­ти? В Главе 9я объясню, как, но сейчас позвольте мне отложить этот вопрос на некоторое время и вернуться в область, близкую к фонари­ку, где луч выглядит непрерывным, потому что каждую секунду он испускает около 10¹⁴(ста триллионов) фотонов в глаз, который на него смотрит.

Граница между светом и тенью резкая или существует некоторая серая область? Обычно существует довольно широкая серая область, и одна из причин ее существования показана на рисунке 2.3.Там пока­зана темная область (называемаяполной тенью),куда не доходит свет от нити накала. Там же присутствует и освещенная область, которая может получать свет от любого участка нити накала. И поскольку нить накала является не геометрической точкой, а имеет определенный раз­мер, между освещенной и неосвещенной областью также присутствуетполутень:область, которая может получать свет только от некоторых участков нити накала. Если наблюдать из области полутени, то мож­но увидеть только часть нити накала, и освещение будет меньше, чем в полностью освещенной области.

---

Рис. 2.3. Полная тень и полутень тени

Однако размер нити накала —не единственная причина того, поче­му фонарик отбрасывает полутень. Различное влияние на свет оказы­вают рефлектор, расположенный позади лампочки, стеклянный колпак фонарика, различные стыки и дефекты и т. д. И поскольку сам фона­рик достаточно сложен, мы ожидаем появления сложных картин света и тени. Но побочные свойства фонариков не являются предметом таких экспериментов. За нашим вопросом о свете фонарика скрывается более фундаментальный вопрос о свете вообще: существует ли, в принципе, некий предел резкости границы (другими словами, насколько узкой может быть полутень)? Например, если фонарик сделать из абсолютно черного (неотражающего) материала и если использовать все уменьша­ющиеся нити накала, возможно ли сужать полутень беспредельно?

Глядя на рисунок 2.3можно подумать, что это возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но на рисунке 2.3 я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что свет распространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, что это так и есть, поскольку мы не видим волн. Но точ­ные эксперименты показывают, что свет не всегда распространяется прямолинейно. При некоторых обстоятельствах свет искривляется.

Это сложно продемонстрировать с помощью фонарика, потому что сложно сделать крошечные нити накала и абсолютно черные поверх­ности. Эти практические сложности скрывают те ограничения, кото­рые основная физика накладывает на резкость теней. К счастью, ис­кривление света можно также показать по-другому. Предположим, что свет фонарика проходит через два последовательных маленьких от­верстия в светонепроницаемых экранах, как показано на рисунке 2.4, и что проходящий через эти отверстия свет падает на третий экран. Во­прос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять, уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторым экранами, можно ли беспредельно сужать полную тень (область абсо­лютной темноты) до тех пор, пока она не превратится в прямую ли­нию между центрами двух отверстий? Может ли освещенная область между вторым и третьим экраном быть ограничена произвольно уз­ким конусом? Говоря языком ювелиров, сейчас мы спрашиваем что-то вроде того, «насколько пластичен свет», в насколько тонкую нить мож­но растянуть свет? Из золота можно получить нити толщиной в одну десятитысячную миллиметра.

---

Рис. 2.4. Получение узкого луча света, проходящего через два последовательных отверстия

Оказывается, что свет не так пластичен, как золото! Задолго до того, как диаметр отверстий приблизится к десятитысячной доле мил­лиметра, а в действительности, уже при диаметре отверстий около одного миллиметра свет начинает оказывать заметное противодейст­вие. Вместо того чтобы проходить через отверстия прямыми линия­ми, свет сопротивляется ограничению и распространяется за каждым отверстием. И распространяясь, свет «рассеивается». Чем меньше диа­метр отверстия, тем сильнее свет рассеивается от прямолинейного пу­ти. Появляются сложные картины света и тени. Вместо освещенной и темной областей с полутенью между ними на третьем экране мы ви­дим концентрические кольца разной толщины и яркости. Кроме того, там присутствует цвет, так как белый свет состоит из фотонов разных цветов, каждый из которых распространяется и рассеивается немного по-разному. На рисунке 2.5показана типичная картина, которую мо­жет образовать на третьем экране белый свет, пройдя через отверстия в первых двух экранах. Не забывайте, здесь всего лишь отбрасывается тень. Рисунок 2.5 —это всего лишь тень, отброшенная вторым экраном, изображенным на рисунке 2.4. Если бы свет распространялся только прямолинейно, появилась бы только крошечная белая точка (гораздо меньше, чем яркое пятно в центре рисунка 2.5),окруженная очень узкой полутенью. Все остальное было бы полной тенью —совершенной темнотой.

Рис. 2.5. Картина света и тени, образованная белым светом после прохождения через маленькое круглое отверстие

Как бы ни озадачивало то, что лучи света искривляются, проходя через маленькие отверстия, я не считаю, что это нарушает сами ос­новы. В любом случае, для наших настоящих целей важно, что свет действительно искривляется. Это означает, что тени вообще не долж­ны выглядеть как силуэты предметов, которые их отбрасывают. Более того, дело даже не в размывании изображения, вызванном полутенью. Оказывается, что перегородка с отверстиями сложной формы может отбрасывать тень совершенно другой формы.

---

Рисунок 2.6показывает приблизительно в натуральную величину часть картины тени, отбрасываемой светонепроницаемой перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями, находящейся на расстоянии трех метров от экрана. Щели находятся на расстоянии одной пятой мил­лиметра друг от друга и освещаются прямым красным лучом лазера расположенного по другую сторону перегородки. Почему используется свет лазера, а не электрического фонарика? Только потому, что точная форма тени также зависит и от цвета света, который ее производит, бе­лый свет фонарика содержит весь спектр видимых цветов, поэтому он может отбрасывать тени с интерференционными полосами различного цвета. Значит, для получения точной формы тени во время эксперимен­та лучше использовать свет одного цвета. Можно было бы поместить цветной фильтр (например, цветное оконное стекло) перед фонариком так, чтобы проходил свет только одного цвета. Это могло бы помочь, но фильтры не стопроцентно селективны. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание монохроматического света.

Рис. 2.6. Тень, отбрасываемая перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями

Если бы свет распространялся прямолинейно, картина, изображен­ная на рисунке 2.6,представляла бы две ярких полосы с резкими грани­цами, расположенные на расстоянии одной пятой миллиметра друг от друга (что было бы невозможно увидеть при таком масштабе), а осталь­ная часть экрана осталась бы в тени. Но в действительности свет ис­кривляется так, что образует много ярких и темных полос без резких границ. Если увеличить расстояние между щелями так, чтобы они оста­вались в пределах лазерного луча, расстояние между полосами на экра­не увеличится на столько же. В этом отношении тень ведет себя как обычная тень, отбрасываемая крупным предметом. А какую тень мы получим, если прорежем в перегородке между двумя существующими щелями еще две идентичные щели, так, что у нас будет четыре щели, расположенные на расстоянии одной десятой миллиметра друг от дру­га? Можно ожидать, что картина, изображенная на рисунке 2.6,оста­нется практически неизменной. Как-никак первая пара щелей отбрасы­вает тени, показанные на рисунке 2.6,и, как я уже сказал, вторая пара щелей должна произвести подобную картину тени, сдвинутую в сто­рону на одну десятую миллиметра —почти на том же самом месте. Кроме того, мы знаем, что лучи света пересекаются, не оказывая ника­кого воздействия друг на друга. Так что две пары щелей должны дать ту же самую картину тени, но в два раза ярче и чуть более размытую.

---