Одд Нильсен - Свет и время. Размышления на границе естествознания и Богопознания

В то же время резонанс может быть полезным. Его используют в музыке, в акустике и при работе со светом и другими электромагнитными волнами.

Когда разные предметы освещаются белым (солнечным) светом, они выглядят разноцветными. Это происходит оттого, что некоторые цвета, составляющие белый свет, поглощаются в силу резонанса, а остальные цвета отражаются и воспринимаются как цвет данного вещества.

Для звездной астрономии очень важно следующее явление. Свет, излучаемый ядром солнца или звезды, должен пройти сквозь слои раскаленных газов, окружающих эти небесные тела. Согласно принципу резонанса, каждый газ поглощает ту часть светового спектра, частота которой характерна для частоты собственных колебаний этого газа. Поэтому, изучая спектрограммы излучений разных звезд, можно сделать выводы о составляющих их элементах. Поглощенные газами цвета не видны или сильно ослаблены на спектрограмме, что позволяет судить о химическом составе данной звезды.

Радиоволны, как и свет, являются электромагнитными колебаниями. Не будь резонанса, наши радиоприемники не могли бы работать. Каждая отдельная радиостанция передает сигнал определенной частоты. Настраивая приемник на желаемую станцию, мы приводим в соответствие собственную частоту приемника с частотой передаваемого ею сигнала. В то же время мы исключаем все другие частоты. В противном случае приемник стал бы принимать сразу несколько разных передач, отчего вышла бы полная неразбериха. Именно резонанс обеспечивает настройке точность, достаточную для приема любой желаемой передачи без помех со стороны других передач.

Все системы радиосвязи и радионавигации, охватывающие авиацию, ракеты и спутники, были бы невозможны без явления резонанса.

Световые или звуковые волны расходятся из точечного источника, словно радиусы из центра сферы. Фронты этих волн (волновые поверхности) всегда перпендикулярны направлению распространения, то есть образуют сферические поверхности, удаляющиеся от центра излучения. Интенсивность излучения неизбежно должна резко падать по мере отдаления от источника.

С другой стороны, если волны излучаются параллельно и поэтому не рассеиваются, интенсивность излучения сохраняется. Все волновые фронты создают плоскую поверхность, перпендикулярную направлению излучения: это достигается, между прочим, в луче лазера.

Когда атому сообщается некоторая энергия, он возбуждается, то есть поднимается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный атом неустойчив и стремится немедленно вернуться в свое обычное состояние. При этом он испускает энергию в виде света некоторой частоты, характерной для данного рода атомов.

Физики заметили также, что если свет от одного возбужденного атома задевает другие возбужденные атомы, то они могут испустить свет той же частоты, что и первоначальный. Этот вызванный свет совпадает с вызвавшим светом по направлению и по фазе. Мы говорим тогда, что атомное излучение когерентно или созвучно. Именно этот резонансный эффект положен в основу конструирования и использования лазеров.

Посредством лазеров физики смогли создать излучение с немыслимой прежде устойчивостью частоты. Испускаемый лазером луч света очень близок по форме к плоской волне и поэтому способен сохранять свою интенсивность в гораздо большей степени, чем обычный световой луч. Это позволяет пользоваться им в самых различных областях, от внутриглазных операций до космической связи.

Пользуясь теорией света как теорией электромагнитных колебаний, можно объяснить большинство его свойств: отражение, преломление на границе двух сред, цветовой состав, отклонение при проходе через малые отверстия и прочие интерференционные явления. Интерференцией называется столкновение и взаимодействие двух или более волн в отдельной точке или области.

Но не все свойства света объясняются волновой теорией. Сюда относятся явления, связанные с фотоэффектом (фотоэлементы), люминесценцией (испусканием света) и так называемой термически вызванной радиацией. К созданию фотоэлементов привели опыты, в которых некоторые металлы испускали электроны под воздействием света. При тщательном изучении энергетических состояний этих электронов обнаружилось, что ими усваивалась световая энергия и притом отдельными небольшими порциями.

Все приводимые ниже явления объяснимы только в случае признания света потоком мельчайших заряженных частиц, энергетических квантов, именуемых фотонами. Именно для объяснения термически вызванной радиации Макс Планк предложил квантовую теорию, которая стала основой всего физического описания природы.

Итак, свет одновременно обладает свойствами частицы и волны и должен признаваться и тем и другим. Но тут есть одно затруднение: названные свойства воспринимаются нами как несовместимые. Основываясь на обычных (макрофизических) рассуждениях, невозможно составить представление о свете как волне и потоке заряженных частиц вместе. Это выходит за пределы нашего разумения. Наш ум не в силах вообразить ничего подобного. И, тем не менее, свет представляет собой и волны, и частицы одновременно, или что-то высшее и большее, в чем сочетаются свойства обеих, но что нам не дано уразуметь, то есть просто СВЕТ.

Понемногу выяснилось, что удивительная двусторонняя природа света, которую всемирно известный физик Нильс Бор обозначил словом дополнительность, присуща множеству физических явлений. Оказалось, что дополнительность господствует во всей ядерной физике.

Например, электроны, которые долго считались просто элементарными частицами материи, при некоторых опытах проявили волновые свойства. Их интерференция оказалась очень похожей на световую. Степень нашего признания электрона волной или частицей зависит от типа нашего измерительного прибора.

Итак, электрон можно рассматривать как волну и частицу одновременно. О свете можно сказать то же самое. Этот вывод не зависит от технических сложностей опыта, а есть фундаментальное ограничение, обязательное для всякого научного метода, и его невозможно преодолеть. Это ограничение, справедливое для всех дополняющих параметров, покоится на собственных отношениях и взаимной зависимости между объектом и измерительным устройством.

Если, например, в атомной физике нам понадобилось установить на опыте и скорость (у) и положение (х) некой частицы, то придется признать, что мы не можем получить точного значения этих величин. Обозначим неопределенность измерения обоих параметров А х и А V соответственно. Принцип неопределенности, введенный В. Гейзенбергом, говорит, что произведение неопределенностей измерения невозможно уменьшить ниже некоторого минимального значения. Математически это записывается так: