Книга историка Клауса Хентшеля ‘Фотоны: История и мысленные модели квантов света‘ по построению похоже на книгу историка Теодора Арабациса ‘Представления электронов‘ (см. заметку Что означает «открытие электрона»?). В обоих книгах описание истории физики сопровождается размышлениями о соотношении между теоретическим объектом в изменяющихся теориях физики и тем, что соответствует этому объекту в мире. Например, можно ли сказать, что физики по ходу развития науки обсуждали один и тот же объект, который в настоящее время называется фотоном. Хентшель однако отвергает метафору Арабациса ‘биографии электрона’ и ограничивается обсуждением ‘мысленных моделей’, раскрывающих значение термина фотон по ходу исследований.
Правда, с фотоном ситуация несколько сложнее, чем с электроном, поскольку существует критика использования этого термина со стороны физиков. Так, нобелевский лауреат Уиллис Лэмб (Willis Lamb) в 1995 году опубликовал статью с выразительным названием ‘Анти-фотон’:
‘такого объекта, как фотон, не существует. Только комедия ошибок и исторических случайностей привела к популярности этого термина среди физиков и оптиков. Я признаю, что это короткое и удобное слово. Его использование также связано с формированием привычки. Точно так же можно признать удобным говорить об «эфире» или «вакууме», обозначающих пустое пространство, даже если такого объекта не существовало бы. Существуют очень хорошие заменители слов «фотон» (например, «излучение» или «свет») и «фотоника» (например, «оптика» или «квантовая оптика»).’
При анализе работ первой половины 20-ого века, связанных с формированием концепции фотона, Хентшель ввел в рассмотрение двенадцать семантических уровней. Некоторые из них находятся в согласии, некоторые противоречат друг другу. В книге проведено рассмотрение формирования этих уровней рассмотрения квантов света по ходу истории физики. Это послужило основой для последующего обсуждения ‘мысленных моделей’, что в свою очередь позволило лучше представить причины недовольства ряда физиков термином фотон. Начну с краткого описания семантических уровней, введенных Хентшелем.
___
Корпускулярные модели света
Эти идеи восходят к Ньютону, который в этом случае предпочитал говорить о гипотезе. Корпускулярная теория света — это создание 18-ого века. В книге помимо Ньютона рассмотрены взгляды астронома Томаса Блэра (Thomas Blair, 1748–1828) и священника-естествоиспытателя Джона Митчелла (John Michell, 1724–1793). Также приведены высказывания Альберта Эйнштейна, Арнольда Зоммерфельда и Артура Комптона, которые связывали кванты света с корпускулярной теорией света Ньютона.
Распространение света с высокой конечной скоростью независимо от цвета или частоты
Ньютон изначально предполагал, что свет разного цвета распространяется с разной скоростью. Обсуждение этого вопроса с астрономом Джоном Флемстидом (John Flamsteed, 1646–1719) привело Ньютона к отказу от этой идеи. Далее в книге рассматривались эксперименты Армана Ипполита Физо (1851 год) в которых определялось изменение скорости света в зависимости от скорости среды и связь результатов эксперимента со специальной теорией относительности Эйнштейна.
Свет испускается и поглощается материей
При обнаружении нового вида излучения всегда вставал вопрос о его природе. В книге разбирается обсуждение природы рентгеновских лучей. Так, Дж. Дж. Томсон считал рентгеновские лучи частицами, поскольку они были направленны строго в одном направлении. Потребовалось почти двадцать лет для доказательства, что рентгеновские лучи представляют из себя электромагнитное излучение высокой частоты. Далее в этом разделе рассматривается представление о квантах света с точки зрения фотохимии (квантовый выход).
Свет передает импульс — давление света
Попытки измерить давление света в 18-ом веке. Мысленный эксперимент Адольфо Бартоли (Adolfo Bartoli, 1851–1896) в 1876 году — использование второго закона термодинамики для доказательства существования давления излучения. Первое экспериментальное доказательство в 1901 году в лаборатории П. Н. Лебедева.
Свет передает энергию
Джон Пойнтинг на основе теории Максвелла рассчитал направление передачи энергия электромагнитным полем. Однако это вызвало обсуждение среди физиков, поскольку было непонятно, что и каким образом передает энергию. Эксперимент Артура Комптона.
Фотоэлектрический эффект: выход пропорционален частоте
Эффект открыт Вильгельмом Гальваксом (Wilhelm Hallwachs, 1859–1922) в 1888 году в лаборатории Генриха Герца. Обсуждение зависимости от частоты — разброс среди экспериментальных результатов разных физиков. Теория Эйнштейна 1905 года. Подтверждение линейной зависимости от частоты в экспериментах Роберта Милликена в 1915 году (статья вышла в 1916 году).
Интересно отметить, что Милликен хотел опровергнуть гипотезу квантов света:
‘Я потратил десять лет своей жизни на проверку уравнения Эйнштейна 1905 года и, вопреки всем моим ожиданиям, в 1915 году я был вынужден однозначно подтвердить его правильность, несмотря на его неразумность, поскольку оно, казалось, противоречило всему, что мы знали об интерференции света.’
Таким образом, это пример когда эксперимент ставился с целью опровержения теории. Более того, утверждение выше дано Милликеном в конце 1940-х годах (он подтвердил теорию квантов света — фотоны существуют), но непосредственно после проведения своих экспериментов его отношение к теории Эйнштейна было совершенно иным:
‘Несмотря на … кажущийся полный успех уравнения Эйнштейна, физическая теория, символическим выражением которой оно должно было стать, оказалась настолько несостоятельной, что сам Эйнштейн, как я полагаю, больше его не придерживается … Оно [уравнение Эйнштейна] является целостным и очевидно хорошо проверенным, но без каких-либо видимых оснований. Очевидно, что эти основания должны существовать, и самая захватывающая проблема современной физики — найти их. Эксперимент опередил теорию, или, лучше сказать, руководствуясь ошибочной теорией, он обнаружил взаимосвязи, которые представляются самыми интересными и важными, но причины их пока совершенно не поняты.’
Строгое квантование энергии E = hν
Теория излучения черного тела Макса Планка и обсуждение трактовки полученного уравнения. См. также заметку Излучение черного тела и появление неразличимых частиц.
Корпускулярно-волновой дуализм: первые намеки и последующее развитие
Статья Эйнштейна 1909 года. Анализ флуктуаций излучения. Два слагаемых, одно из которых интерпретировалось как влияние волны, другое — как влияние частиц. Эксперименты Милликена и Комптона с этой точки зрения. Диссертация Луи де Бройля 1922 года — корпускулярно-волновой дуализм. 1927 год — интерференция луча электронов. Создание квантовой механики.
Спонтанное и индуцированное излучение
Статья Эйнштейна 1916 года. В книге отмечается сходство выводов этой статьи с формализмом квантовой механике; интересный факт в связи с известным отношением Эйнштейна к квантовой механике. Как бы то ни было, рассмотрение работы лазеров обычно связывается с этой статьей.
Квант света имеет спин
История спина электрона. Эксперимента Ричарда Бета (Richard A.
Beth, 1906–1999) со спином фотона.
Неразличимость квантов света
От закона Планка к статистика Бозе-Эйнштейна. См. также заметку Излучение черного тела и появление неразличимых частиц.
Фотоны как виртуальные частицы в квантовой электродинамики
История квантовой электродинамики и диаграммы Фейнмана.
___
Хентшель начинает рассмотрение умственных моделей квантов света с корпускулярной теории света. Как оказалось, среди архива Ньютона оказался рисунок, которые передает внутренние размышления Ньютона о свете. Рисунок ниже взят с сайта ‘The Newton Project‘ из ‘Quæstiones quædam Philosophiæ‘ (Certain Philosophical Questions, раздел Of Species visible). Изображение этой страницы с записью рукой Ньютона можно найти на сайте библиотеки университета Кембриджа.
На рисунке Ньютона представлена частичка света, передвигающаяся в тонкой материи (subtile matter).
Рисунок Ньютона, по-моему, неплохо передает значение выражения ‘умственная модель’ — как физик представляет себе устройство мира. Ученый пытается взглянуть на мир за рамками обыденной жизни и достичь точки зрения от всеведущего третьего лица. В то же время история науки напоминает о изменениях в представлениях ученых, а выражение ‘умственная модель’ напоминает, что всеведущее третье лицо принадлежит конкретному ученому. Поэтому по сути дела в книге Хентшеля по ходу рассмотрения история фотона используется воображаемая точка зрения от первого лица.
Другая причина использования ‘умственная модель’ связана с критикой физиков термина фотон. В статье ‘Эволюция современного фотона‘ 1989 года физики обсуждают неудовлетворительность таких умственных моделей при преподавании физики как ‘частица’, ‘сингулярность’ и ‘волновой пакет’. Они предлагают для рассмотрении экспериментов первой половины двадцатого века, включая фотоэффект и эксперимент Комптона, использование полуклассической модели.
В этом модели излучение рассматривается в рамках классической теории Максвелла, а квантование относится исключительно к веществу, с которым взаимодействует излучение. Причина связана с тем, что перечисленные мысленные модели мешают правильному пониманию квантовой электродинамики. Физики считают, что переход к рассмотрению квантов света необходим только при рассмотрении экспериментов, требующих для описания квантовую теорию рассеяния и квантовую электродинамику. Только таким образом можно составить более правильное понимание квантов света.
Интересно отметить, что такой подход возрождает попытку Макса Планка 1909-1913 года не трогать теорию Максвелла электромагнитного поля при описании излучения черного тела; предполагалось, что возникновение квантования энергии связано со свойствами вещества. Тогда это не получилось в силу отсутствия необходимого формализма квантовой механики, но в настоящее время физики считают это наилучшей альтернативой.
В книге Хентшеля рассказывается про другие мысленные модели фотона физиков в первой половине двадцатого века. Несколько слов только про размышления Эйнштейна по этому поводу. Интересно отметить, что Эйнштейн до конца жизни не использовал термин фотон; вместо этого он использовал первоначальное Lichtquanten (кванты света). В лекции 1909 года Эйнштейн говорил о сингулярности:
‘Тем не менее, на данный момент наиболее естественной интерпретацией, как мне кажется, является то, что возникновение электромагнитных полей света связано с сингулярными точками точно так же, как возникновение электростатических полей в соответствии с электронной теорией.’
В 1910 — 1915 годах критика Лоренца привела Эйнштейна к новым попыткам осмысления квантов света, в книге приведены соответствующие высказывания. Тем не менее, в 1951 году Эйнштейн пессимистично отметил:
‘Пятьдесят лет мучительных размышлений так и не приблизили меня к ответу на вопрос: что же такое кванты света? В наши дни любой мальчишка воображает, что ему это известно. Но он глубоко ошибается.’
Я не буду обсуждать квантовую электродинамику, поскольку это выходит за границу моих знаний. Мое собственное впечатление от этого предмета передают крылатые слова Алисы: ‘Всё чудесатее и чудесатее!’ Приведу только высказывание Д. Н. Клышко из статьи ‘Квантовая оптика: квантовые, классические и метафизические аспекты‘:
‘Исходным моментом здесь служит мое убеждение в назревшей необходимости разграничить квантовую физику, для которой характерно непрерывное плодотворное взаимодействие между экспериментами и математическими моделями, и бесплодную, преимущественно вербальную, квантовую метафизику, не контролируемую экспериментами, но претендующую на более глубокое описание квантовых явлений.’
Важно отметить, что Клышко относит утверждение ‘фотон как элементарная частица светового поля’ к непродуктивному метафизическому языку. В то же время Хентшель завершает свою книгу разделом ‘Фотон: “Таинственный квантовый Чеширский кот” или “Неуловимый зверь”?‘, в котором собраны достаточно радикальные высказывания физиков, например, фотон как флогистон (ниже отрывок из письма Хентшелю физика Оливера Пассона):
‘Но в итоге мы получили фотон в квантовой электродинамике, который почти не имеет сходства ни с одним из различных «квантов света Эйнштейна», обсуждаемых с 1905 по 1916 год (или около того). Я несколько провокационно спрашиваю вас как историка: совершенно определенно существует линия развития от флогистона к теплоте, энергии и энтропии в современном понимании этого слова. Но есть смысл, что мы больше не используем термин «флогистон», потому что он имеет ложные коннотации (в соответствии с современным пониманием). Не является ли, по всей видимости, ранний квант света Эйнштейна таким «флогистоном»?’
Таким образом, Хентшель завершает книгу, перефразируя известное высказывание Стивена Шейпина о научных революциях: ‘Фотоны не существуют, но это книга о них.’
Информация
Klaus Hentschel, Photons: The History and Mental Models of Light Quanta, 2018.
Richard Kidd, James Ardini, and Anatol Anton. Evolution of the modern photon. American Journal of Physics 57, no. 1 (1989): 27-35.
Д. Н. Клышко. Квантовая оптика: квантовые, классические и метафизические аспекты. Успехи физических наук 164, no. 11 (1994): 1187-1214.