Читать книгу "КЭД - странная теория света и вещества - Ричард Фейнман"

Рис. 64. Рассмотрим пример в на рис. 63, двигаясь только вперед во времени (как мы вынуждены поступать в лаборатории). От момента времени Т0 до Т3 мы видим, что электрон и фотон летят навстречу друг другу. Внезапно в момент Т3 фотон «распадается» и появляются две частицы: электрон и частица ново-го типа – «позитрон» (представляющая собой электрон, движущийся вспять во времени). Позитрон движется навстречу исходному электрону. В момент времени Т5 позитрон аннигилирует с исходным электроном и образуется новый фотон. Тем временем образованный исходным фотоном электрон продолжает лететь вперед по пространству-времени. Такая последова-тельность событий наблюдается в лаборатории, она автоматически, не требуя никаких изменений, учитывается формулой Е(А – В).

Следующее, о чем я хотел бы рассказать, – это электрон в атоме. Чтобы понять поведение электронов в атомах, мы должны добавить в нашу картину мира еще один важный объект – тяжелое ядро в центре атома, содержащее по крайней мере один протон. (Протон – это ящик Пандоры, который мы откроем на следующей лекции.) Я не буду объяснять вам в этой лекции истинные законы поведения ядра – они очень сложны. Но в данном случае, когда ядро спокойно, мы можем приближенно описать его как частицу с амплитудой попадания из одной точки пространства-времени в другую по формуле Е(А – В), но со значительно большей величиной параметра п. Поскольку ядро по сравнению с электроном очень тяжелое, мы можем приближенно считать, что, двигаясь во времени, оно стоит практически на одном месте в пространстве.

Рис. 65. Электрон удерживается вблизи от ядра атома путем обмена фотонами с протоном («ящик Пандоры», в который мы заглянем в четвертой лекции). Воспользуемся пока приблизительным определением протона как неподвижной частицы. Здесь показан атом водорода, состоящий из протона и электрона, обменивающихся фотонами.

Простейший атом – атом водорода – состоит из протона и электрона. Протон удерживает танцующий вокруг него электрон, обмениваясь с ним фотонами (см. рис. 65)[23]. Атомы, содержащие более одного протона и соответствующее количество электронов, также рассеивают свет (атомы атмосферного воздуха рассеивают солнечный свет и делают небо голубым), но на диаграммах для таких атомов было бы так много прямых и волнистых линий, что получилась бы полная неразбериха!

Рис. 66. Рассеяние света электроном атома – это явление, лежащее в основе частичного отражения света стеклом. Диаграмма показывает один из способов, которым такое со-бытие может произойти в атоме водорода.

Теперь я хотел бы показать вам диаграмму рассеяния света электроном в атоме водорода (см. рис. 66). В то время как электрон и ядро обмениваются фотонами, извне к атому прилетает фотон, сталкивается с электроном и поглощается им; затем излучается новый фотон. (Как обычно, надо рассмотреть и другие возможности, например, сначала излучается новый фотон, а потом уже поглощается старый фотон.) Амплитуды всех возможных способов рассеяний фотона электроном могут быть просуммированы в результирующую стрелку посредством операций сжатия и поворота. (Впоследствии мы будем называть эту стрелку «S».) Ее величина зависит от ядра и расположения электронов в атоме, она различна для различных веществ.

Теперь давайте снова посмотрим на частичное отражение света от стеклянной пластинки. Как оно происходит? Я говорил, что свет отражается от передней и от задней поверхностей. Говоря о поверхностях, я делал некоторое упрощение. На самом деле поверхности никак не действуют на свет. Входящий в стекло фотон рассеивается электронами атомов стекла, и в детектор попадает новый фотон. Интересно, что сложение миллиардов маленьких стрелочек, отвечающих амплитуде рассеяния входящего фотона всеми электронами стекла, можно заменить сложением всего двух стрелок – для «передней поверхности» и «задней поверхности» – и получить тот же самый ответ. Давайте разберемся почему.

Чтобы с этой точки зрения разобраться в отражении света от стеклянной пластинки, надо принять во внимание временное измерение. Прежде, говоря о свете монохроматического источника, мы использовали вымышленные часы, запускаемые на время, пока летит фотон. Стрелка часов определяла поворот амплитуды для данного пути. В формуле Р(А – В) (для амплитуды попадания фотона из одной точки в другую) никакие повороты не упоминаются. Что произошло с часами? Что произошло с поворотами?

В первой лекции я просто сказал, что источник света является монохроматическим. Чтобы правильно разобраться в частичном отражении от пластинки, мы должны внимательно рассмотреть источник монохроматического света. Амплитуда излучения фотона источником, как правило, меняется со временем: со временем изменяется направление этой амплитуды. Источник белого света – смеси многих цветов – излучает фотоны хаотическим образом: направление амплитуды изменяется резко и нерегулярно, рывками. Но, конструируя монохроматический источник, мы делаем прибор, в котором все так тщательно устроено, что легко вычислить амплитуду излучения фотона в определенный момент времени: амплитуда вращается с постоянной скоростью, как стрелка часов. (На самом деле стрелка амплитуды вращается с той же скоростью, что и стрелка наших воображаемых часов, но в противоположном направлении – см. рис. 67.)

Рис. 67. Монохроматический источник света – это прекрасно сконструированный прибор, излучающий фотон легко пред-сказуемым способом: амплитуда излучения фотона в определенный момент поворачивается против часовой стрелки с течением времени. Поэтому амплитуда излучения фотона в более поздний момент имеет меньший угол поворота. Будем считать, что весь излучаемый источником свет распространяется со скоростью с (поскольку расстояния велики).

Скорость вращения зависит от цвета света: как и ранее, амплитуда синего источника вращается примерно в два раза быстрее, чем амплитуда красного источника. Итак, то, что мы использовали в качестве «воображаемых часов», было монохроматическим источником: на самом деле угол поворота амплитуды для данного пути зависит от того, в какой момент фотон вылетел из источника.