Квантовая природа электромагнитного излучения

Исторически первым научным представлением о свете являлась корпускулярная теория, получившая законченный вид в работах И. Ньютона (конец XVII в): свет рассматривался как поток малых материальных частиц – корпускул, движущихся в пустоте прямолинейно и равномерно со скоростью света, и замедляющихся в оптически плотных средах пропорционально их коэффициенту преломления. Подобное представление давало объяснение уже известным законам геометрической оптики и дисперсии, и тем самым позволило создать достаточно эффективную на первых порах теорию конструирования оптических приборов.

Но открытие в начале XIX века явлений интерференции и дифракции, а также поляризациявоскресило гипотезу Х. Гюйгенса, согласно которой свет представляет собой распространяющиеся механические колебания – волны - некой сплошной упругой среды (светового эфира). На базе волновой гипотезы Т. Юнг объяснил явление интерференции; О. Френель создал эффективную теорию дифракции и вывел соотношения для отражения и преломления света на границе раздела оптических сред; Гаусс, Аббе, Зейдель и другие завершили классическую теорию оптических приборов. Последующее открытие электродинамики Максвелла и отождествление света с электромагнитными волнами, как тогда казалось, окончательно утвердило представление о свете как сугубо волновом процессе.

Однако никак не удавалось объяснить ряд явлений – отсутствие «эфирного ветра» в интерференционных экспериментах, характер излучения абсолютно черного тела и законы фотоэффекта. Разрешить проблему удалось А.Эйнштейну и М. Планку – так появились теория относительности и гипотеза квантов. Согласно теории относительности, процесс распространения электромагнитного поля это не вовлечение в колебательный процесс стационарной упругой среды – эфира, но реальное распространение в пространстве материи особого рода. Фундаментальное свойство любой материи – масса, и при распространении поля перенос энергии и массы неразрывно связаны. Исследования же процессов излучения и поглощения показали, что энергия и масса поля передается и распространяется дискретными порциями – квантами, причем кванты излучения демонстрировали свойства неделимости и пространственной локализации, подобно малым материальным частицам. Эти частицы были названы фотонами, от греческого слова φοτοσ – свет.

В 1925 году Л. де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновой природе не только излучения, но любой материи, согласно которой на уровне атомных масштабов необходимо отказаться от представления о микрочастицах, элементарной формой материи являются поля, которые, распространяясь в форме волновых пакетов, в определенных условиях эксперимента способны демонстрировать корпускулярные свойства. Но более детальный анализ показал, что волновые пакеты де Бройля не обладают свойствами неделимости и локальности, неизменно присущими частицам в любых подобных экспериментах. Такое «странное», «необъяснимое» и «алогичное» поведение микрочастиц привело научное сообщество в конце 20-х годов XX века к осознанию того, что выхода из тупика не существует в рамках системы представлений и образов классической физики. Была создана новая физика – квантовая.

Принципиальное отличие квантовой физики от физики классической – наличие двух уровней теоретического представления реальности – формализма и интерпретации. Формализм – это собственно математический аппарат теории и алгоритм его применения. Интерпретация же обеспечивает связь между математикой формализма и физическим миром.