Корпускулярно волновой дуализм

В 1899 г. была установлена природа фотоэлектрического эффекта - явления испускания веществом, подвергающимся электромагнитному облучению, электронов высоких энергий. К 1902 году было доказано, что скорость испускаемых веществом электронов зависит не от интенсивности облучения (как это следовало предполагать из классической электродинамики), а только от частоты падающего света. Все попытки объяснить явление фотоэффекта из классической электродинамики были неудачными.

В 1905 году А. Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект может быть легко объяснен, если принять, что энергия света не только испускается отдельными квантами, но и поглощается также отдельными порциями.

" Сразу ясно, что квантовая теория света дает объяснение фотоэлектрическому эффекту. Пучок фотонов падает на металлическую пластинку. Взаимодействие между излучением и веществом состоит здесь из очень многих элементарных процессов, в которых фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Эти элементарные процессы подобны друг другу, и вырванный электрон будет во всех случаях иметь одинаковую энергию. Нам становится понятным, что увеличение интенсивности света на нашем новом языке означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки было бы вырвано большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменилась бы. Итак, мы видим, что эта теория находится в полном согласии с результатами наблюдения" [41].

В 1922 году стал известен эффект Комптона, а в 1923 г. - эффект Рамана. Эти открытия окончательно утвердили гипотезу световых квантов - фотонов.[42] С другой стороны, уже давно известные явления дифракции и интерференции света не могли найти объяснения из теории световых квантов.

В начале XX столетия, чтобы объяснить некоторые явления, например, дифракцию, физики были вынуждены приписывать свету волновую природу, а чтобы объяснить фотоэлектрический эффект - квантовую. Как остроумно заметил английский физик Уильям Брэгг (1890-1971), каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам считать свет состоящим из частиц, а в остальные дни недели - из волн.

Вопрос о структуре излучения и механизме взаимодействия излучения и вещества сделался, таким образом, центральным вопросом физики начала XX века.

Французский физик Луи де Бройль (1875-1960) в 1924 году в работе " Свет и материя" выдвинул смелую гипотезу о том, что с каждой частицей массой m связан волновой процесс с частотой «υ» -«ню», так что произведение постоянной Планка на частоту равно произведению массы на квадрат скорости света:. mc² =hυ.. Идея де Бройля была настолько неожиданна, что Эйнштейн в разговоре с видным немецким физиком Максом Борном (1882-1970), советуя Борну ознакомиться с диссертацией Бройля, заметил: " Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно". «Сумашедшесть» формулы де Бройля заключается в том, что члены «c²» и «h» - являются константами. Следовательно, их физическим смыслом можно пренебречь. Но остающееся равенство утверждает, что материя (масса) и волна (частота) – являются тождественными.

Гениальное прозрение де Бройля было подтверждено в опытах 1927 года американцами К.Дэвиссоном и Л.Джермером, которые наблюдали дифракцию электронов (электроны, открытые в конце девятнадцатого столетия, считались частицами), позднее дифракционная и интерференционная картины были получены для всех известных тогда частиц и даже ядер атомов.

Таким образом, рухнуло одно из фундаментальнейших убеждений классической науки о противоположности волны и материи. Стал утверждаться копускулярно-волновой дуализм, согласно которому любой материальный объект характеризуется как наличием корпускулярных, так и наличием волновых свойств. Волновые и корпускулярные свойства материи выступают как противоположности и требуют различных средств физико-математического описания.