Корпускулярно-волновой дуализм, принцип дополнительности

Фотоэффект, эффект Комптона и другие эксперименты составили прочную основу фотонной (или корпускулярной) теории света. Но как быть с классическими опытами Юнга и других исследователей по интерференции и дифракции, доказавшими, что волновая теория света также имеет прочную экспериментальную основу.

Перед нами дилемма: одни эксперименты свидетельствуют о том, что свет ведет себя как волна, другие – что свет ведет себя как поток частиц. На первый взгляд кажется, что волновая и корпускулярная (фотонная) теории света несовместимы, но обе теории подтверждаются экспериментом. В конце концов, физики пришли к заключению, что двойственную природу света следует принять как непреложный факт. Именно эту двойственную природу света имеют в виду, когда говорят о корпускулярно-волновом дуализме. Ясно, что свет оказался более сложным явлением, чем просто волна или поток частиц.

Для выходы из этой ситуации великий датский физик Нильс Бор выдвинул свой знаменитый принцип дополнительности. Этот принцип утверждает, что для объяснения данного эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления, но не те и другие одновременно. Однако для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света. Оба этих аспекта взаимно дополняют друг друга.

Наглядно представить корпускулярно-волновой дуализм невозможно. Мы не в силах вообразить сочетание волновых свойств с корпускулярными. Следует осознать, что волновой и корпускулярный аспекты поведения света – это различные стороны его природы, проявляющиеся в экспериментах.

Отчасти трудности восприятия дуализма обусловлены особенностями нашего мышления. Наши зрительные образы (или модели) основаны на том, что мы видим в повседневной жизни. Мы применяем к свету понятия волны и частицы, поскольку опыт подсказывает нам, что в окружающем мире энергию переносят либо волны, либо частицы. Мы не можем непосредственно узреть, что представляет собой свет – волну или частицу, и полагаемся на косвенные эксперименты. Для трактовки этих экспериментов мы используем либо представление о волнах, либо представление о частицах. Но и то и другое – это абстракции нашего разума. Когда мы пытаемся постичь, что же такое свет «на самом деле», речь идет, в сущности, о наглядных представлениях. Между тем не существует причин, по которым природа света должна следовать одной из этих моделей (или зрительных образов), заимствованных из макроскопического мира. «Истинная» природа света (если подобное выражение имеет смысл) не поддается наглядной интерпретации. В лучшем случае мы лишь осознаем, что наше знание ограничено косвенными экспериментами и что свет на повседневном языке и в рамках обычных представлений обнаруживает свойства и волны, и частицы.

Следует подчеркнуть, что формула Эйнштейна сама по себе связывает корпускулярные и волновые свойства света: энергия в левой части равенства относится к частице, а частота в правой части – к соответствующей волне.