Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Експериментальне дослідження світлових квантових флуктуацій візуальним методом

Експериментальне дослідження світлових квантових флуктуацій візуальним методом

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Розділ 13 КОРПУСКУЛЯРНІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА

13.8. Експериментальне дослідження світлових квантових флуктуацій візуальним методом

Досліди С. І. Вавилова, про які йтиметься, присвячені виявленню квантової структури світла. Основна властивість квантових флуктуацій світла, яка відрізняє їх від “класичних”, полягає в тому, що ці флуктуації мають спостерігатися при будь-якому стані постійного джерела світла, якщо тільки розрідження потоку досить велике.

Джерело може

бути самосвітним, розсіювальним стороннє світло, розжареним або люмінесціюючим тілом. В усіх випадках мають відбуватися квантові флуктуації, які спостерігаються при достатньому ослабленні світлового пучка. Якщо інтенсивність світла велика, то його квантова (корпускулярна) природа звичайно не проявляється досить різко. В більшості таких випадків явища відбуваються відповідно до висновків електромагнітної теорії світла. Тут можна провести аналогію з кінетичною теорією газів. Якщо число молекул газу в системі дуже велике, то їхні властивості проявляють себе як деякі середні (колективні) величини – тиск, густина

і т. д. Якщо число молекул мале, то стає помітним відхилення від середніх величин, які називають флуктуаціями тих чи інших величин. Флуктуації дають змогу виявити корпускулярну природу газів (і взагалі речовин).

Аналогічна картина спостерігається у світлових (і взагалі електромагнітних) процесах. Як тільки кількість фотонів у світловому потоці мала, стають помітними флуктуації інтенсивності, що зумовлено корпускулярною природою світла. С. І. Вавилов вважав, що флуктуації у світлових потоках, які відповідають зоровому порогу відчуття, мають спостерігатися неозброєним оком. Він задумав і здійснив у зв’язку з цим серію експериментальних робіт (1932-1941).

Спостерігати квантові флуктуації в неперервному світловому потоці неможливо через скінченну тривалість зорового відчуття і усереднення внаслідок цього флуктуацій. Неможливе також спостереження флуктуацій при великих кутових розмірах світної поверхні. Для спостереження квантових флуктуацій світла потрібно фіксувати око на допоміжному точковому джерелі.

Отже, при короткочасних спалахах, невеликих розмірах зображення на сітківці й фіксації ока фізичні флуктуації при порогових світлових потоках обов’язково мають спостерігатись, якщо тільки правильні квантові уявлення про природу світла. На рис. 13.6 зображено схему установки С. І. Вавилова для спостереження квантових флуктуацій. Світло від джерела S’ попадало на диск К з отвором, який повільно обертався (1 оберт за 1 с), періодично пропускаючи світло протягом 0,1 с і затримуючи його 0,9 с. Потім за допомогою фільтра L виділялася зелена складова світла, і після ослаблення його інтенсивності в клині М світло потрапляло на сітківку ока Q. Від джерела S’ за допомогою дзеркала N на сітківку ока постійно направлялось червоне світло. Око весь час фіксоване на червону точку, внаслідок чого зелена точка спостерігається периферично. Опускаючи або піднімаючи на шляху світлового пучка в темряві клин, можна регулювати світловий потік поблизу порога зорового відчуття.

Спостерігач у момент, коли він бачив спалах, натискав на спеціальну кнопку, внаслідок чого на рухому стрічку наносилася чітка мітка. На цій самій стрічці фіксувався кожний оберт диска.

Для спостережень потрібне досить тривале попереднє тренування (5-10 сеансів по одній годині). Мета цього тренування – привчити око до фіксації, до периферичного зору і водночас до уважності, яка потрібна для своєчасної реєстрації спостережуваних спалахів. При обертанні диска К спостерігач, фіксуючи око на червону пляму, знижує поступово яскравість зеленої плями (яка здається за цих умов безбарвною) до порогу. Зі зниженням яскравості зеленої плями спостерігач помічає спочатку, що кожному проходженню отвору диска відповідає спалах, яскравість якого слабшає. Потім починається флуктуаційний режим: із незначним послабленням інтенсивності світла спалахи з’являються не при всіх, а лише при окремих проходженнях отвору. Якщо зменшувати інтенсивність світла й далі, то спалахи спостерігатимуться все рідше і, нарешті, так рідко, що їх вже легко пропустити. З якісного боку це явище цілком виразно підтверджує світлові квантові флуктуації.

С. І. Вавилов установив, що поріг зорового відчуття дорівнює 105…107 фотонам, око відчуває ще 100 фотонів і не відчуває вже 97 або 93 фотони.

Як відомо, явище інтерференції світла є переконливим доказом хвильової природи світла. Інтерференція світла, яку передбачає хвильова теорія, знаходить бездоганне підтвердження в дослідах з інтенсивними пучками світла. Важливо було вивчити інтерференцію світла для гранично малих інтенсивностей, коли виявляються корпускулярні властивості. Щоб виділити когерентні пучки світла у схемі Вавилова (див. рис. 13.6), можна поставити за диском біпризму, яка роздвоїть один пучок світла на два незалежних. Виникає запитання, як взагалі погодити корпускулярну природу світла з таким хвильовим явищем, як інтерференція світла? Спостереження флуктуацій поляризації світлового пучка С. І. Вавиловим довели, що природне світло при досить малих інтенсивностях поляризоване в кожний момент (близько 0,1 с) по-різному, тобто існують флуктуації стану поляризації.

У результаті експериментів С. І. Вавилов дійшов такого флуктуаційного принципу: кожний ізольований будь-яким способом світловий пучок при досить малій потужності виявляє флуктуації інтенсивності, які відбуваються самостійно і незалежно від коливань у будь-якому іншому пучку.