2. Фотоны

В физике всегда так бывает: скажешь «А» в одном месте  приходится говорить «Б» в другом, даже если не очень хочется. Планк сделал свое сообщение 14 декабря 1900 г., так что XX в. начался с рождения теории квантов. Основная идея Планка: всякий резонатор, излучающий волны с частотой , может испускать лучистую энергию лишь порциями, кратными минимальному «кванту энергии» Но физики и предположить тогда не могли, что успешное разрешение проблем с тепловым излучением приведет к ломке многих казавшихся незыблемыми представлений. И первой «пострадала» электродинамика Фарадея  Максвелла, эта «священная корова» классической физики, ее наивысшее достижение.

2.1. Кванты света

Благодаря Планку в физику вошла новая фундаментальная константа h. Часто встречается также величина фигурирующая в формуле для энергии кванта, когда используется не циклическая частота , а частота При этом Современные численные значения постоянных h и h приведены ниже:

(2.1)

Постоянная Планка имеет размерность момента количества движения L. В обычной жизни встречаются гораздо большие, чем h, значения L. Приведем пример медленного вращения легкого тела: Пример показывает, почему в обычной жизни не наблюдается квантовая дискретность: по той же причине, по какой лестница с чрезвычайно низкими ступеньками будет восприниматься как гладкий спуск. Отсюда  способ формального перехода от квантовых результатов к классическим: надо во всех формулах устремить h к нулю. При этом восстановится классическая непрерывность. Этот чисто математический прием с физической точки зрения означает, что квантовые эффекты важны для процессов, в которых постоянная Планка не может считаться малой величиной. Планк назвал константу h элементарным квантом действия. Он не питал иллюзий по поводу возникающих в связи с его гипотезой проблем. Ведь со времен Ньютона и Лейбница, открывших дифференциальное исчисление, вся физика основывалась на непрерывности причинных соотношений. Планк отмечал поэтому, что константа h:

«либо фиктивная величина, и тогда весь вывод закона излучения представлял собой всего лишь пустую игру в формулы, либо же h означает собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении».

В 1905 г. А. Эйнштейн еще больше разошелся с классической физикой, предположив, что энергия не только испускается порциями, но и далее продолжает существовать (распространяться, поглощаться) в виде индивидуальных квантов (позднее, в 1926 г., их удачно назвали фотонами):

«Мы должны предположить, что однородный свет состоит из зерен энергии световых квантов (Lichtquan-teri), то есть небольших порций энергии, несущихся в пустом пространстве со скоростью света».

По Эйнштейну, энергия и импульс световых квантов связаны с соответствующими волновыми характеристиками соотношениями

(2.2)

Полезно представить себе классические (неквантовые) источники этих формул. В теории относительности соотношение между энергией Е частицы и ее импульсом р имеет вид

(2.3)

где с  скорость света (с=3·10⁸ м/с), то есть скорость любых фотонов. С такой предельной скоростью могут двигаться лишь частицы нулевой массы. Полагая в (2.3) т=0, получаем для фотонов связь между энергией и импульсом

(2.4)

Если теперь применить к (2.4) соотношение Планка то получим для импульса фотона поскольку На основе формул (2.2) были объяснены законы фотоэффекта (см. следующий раздел).

И все-таки новые представления были весьма непривычными. Ситуация обсуждалась в 1911 г. на конгрессе с участием всех крупнейших физиков мира. Планк говорил:

«Когда думаешь о полном опытном подтверждении, которое получила электродинамика Максвелла при исследовании даже самых сложных явлений интерференции, когда думаешь о необычайных трудностях, с которыми придется столкнуться всем теориям при объяснении электрических и магнитных явлений, если они откажутся от этой электродинамики, инстинктивно испытываешь неприязнь к попыткам поколебать ее фундамент. По этой причине мы и далее оставим в стороне гипотезу «световых квантов», тем более что эта гипотеза находится еще в зародышевом состоянии. Будем считать, что все явления, происходящие в пустоте; в точности соответствуют уравнениям Максвелла и не имеют никакого отношения к константе h».

Итог дискуссии выразил А. Зоммерфельд:

«Я думаю, что гипотезу квантов испускания, как и начальную гипотезy квантов энергии, нужно рассматривать скорее как форму объяснения, а не как физическую реальность».

Итак, к 1911г. гипотеза квантов вызывала инстинктивное ее неприятие. Но вопрос был решен экспериментаторами.