Как физики потрогали свет

Исследователи из Франции провели эксперимент, в котором свет одновременно проявляет свойства частицы и волны.

С XVII века физики спорили о том, что такое свет. В одних случаях свет имеет свойства волн, а в других ведет себя как частица. Горячие споры между именитыми физиками о природе света приутихли после становления квантовой механики, которая  заявила, что свет – это и частица, и волна одновременно. И если со светом все более-менее стало ясно, то новым яблоком раздора в научном мире стала сама квантовая механика, правда, это уже совсем другая история. 

Физики провели множество экспериментов со светом, однако в каждом из них  можно было наблюдать свет или как волну, или как частицу. Свойства частиц свет проявляет, например, в явлении фотоэффекта – выбивании электронов из металла световым квантом. Это явление используется в элементах солнечных батарей, питающих электрической энергией калькуляторы и аппаратуру спутников. А вот когда мы видим разноцветные пятна на воде, покрытой масляной пленкой, это проявление классического волнового поведения – интерференции. Физики из федеральной политехнической школы Лозанны впервые поставили эксперимент, в котором смогли заставить свет одновременно проявить свойства как частицы, так и волны.

Для этого они взяли кусок очень тонкой серебряной проволоки диаметром всего 50 нанометров и осветили его очень короткой фемтосекундной лазерной вспышкой. Взаимодействие квантов света  лазера с электронами в металле приводит к возникновению специфических колебаний электронов (поверхностных плазмонных поляритонов). Их энергия состоит частично из электромагнитной энергии фотонов, и частично – из энергии собственных возмущений электронов. Получается, что свет как бы «застревает» в этой металлической проволоке и начинает перемещаться вдоль ее поверхности. При этом волна, дойдя до конца проволоки, отражается и идет обратно, до другого конца. Такие волны, гуляющие по проволоке в разных направлениях, накладываются друг на друга и образуют стоячую волну. Такой же эффект возникает на поверхности воды, налитой в стакан, если его поставить на вибрирующую поверхность. Тогда на поверхности образуется рябь, которую образуют волны, отражающиеся от стенок стакана. Итак, французские физики поймали свет в виде волны и заставили ее «встать» в серебряной проволоке. А как теперь «потрогать» пойманные фотоны и доказать, что это не просто волны, но и частицы?

Тут исследователям помогли другие элементарные частицы – электроны, поток которых отправляли вслед за лазерной вспышкой. Электроны, пролетая мимо проволоки, взаимодействовали со стоячей волной, точнее, с фотонами, и обменивались с ними энергией. Изначально все электроны имели одинаковую энергию, а значит, летели с одной и той же скоростью. После того, как они обменялись квантами энергии с фотонами, часть из электронов полетела быстрее – они получили дополнительную энергию, а часть затормозилась – энергию у них «отобрали» фотоны. Теперь осталось пропустить этот неоднородный поток электронов, несущий в себе информацию о фотонах в проволоке, сквозь энергетический фильтр, и получить фотографию стоячей волны. 

Так физики показали, что, с одной стороны, свет – это волна, заключив его в металлическую проволоку, и в то же время, что свет не потерял способность быть частицей – электроны сталкивались с фотонами, обмениваясь с ними энергией. Кстати, как раз за открытие эффекта неупругого рассеяния рентгеновского излучения на свободных электронах, почти сто лет назад, в 1927 году американский физик Артур Комптон был удостоен Нобелевской премии. Именно это рассеяние фотонов света на электронах и назвали в его честь Комптоновским рассеянием.

По материалам EPFL и Nature Communications