Физическая оптика
Представления о природе световых явлений на протяжении истории развития физики менялись не один раз. Давно было отмечено, что свет в каких-то случаях ведет себя как волна, а в каких-то — как поток частиц (корпускул).
В пользу волновой картины свидетельствуют интерференция и дифракция, в пользу корпускулярной — фотоэффект и эффект Комптона.
После создания квантовой механики свет перестал быть единственным странным объектом в физике — не то волна, не то частица. Оказалось, что корпускулярно-волновой дуализм (двойственность поведения в разных «житейских» ситуациях) присущ всем объектам, просто эта двойственность не всегда заметна.
Сейчас мы знаем, что все световые явления, а точнее, все электромагнитные явления можно описать в рамках квантовой электродинамики. В ней утверждается, что свет — это поток частиц вещества — фотонов — с очень интересными свойствами: они не могут покоиться ни в одной системе отсчета и их спин всегда направлен либо вдоль, либо против их импульса.
Первое свойство на языке релятивистской механики означает, что масса фотона равна нулю. Именно этот факт определяет постоянство скорости света. Второе свойство правильнее было бы сформулировать так: спиральность фотона может принимать только два значения — + 1 и -1.
На языке квантовой механики это говорит о том, что фотон, как частица со спином равным единице, почему-то потерял одну из возможных его проекций, а именно нулевую. На языке классической электродинамики это свойство фотонов определяет поперечность электромагнитных волн.
На самом деле второе свойство фотонов тесно связано с первым. Именно потому, что масса фотона равна нулю, его спиральность не может быть нулевой.
Когда же проявляются волновые, а когда корпускулярные свойства света? Если мы изучаем свет с помощью очень чувствительного прибора, способного зафиксировать энергию отдельного кванта, то мы обязательно увидим корпускулярную картинку.
Если же наш прибор не может «отделить» отдельный квант, то мы будем воспринимать свет как волну.
Но чтобы зарегистрировать волну, необходимо, чтобы ее длина была сравнима с размерами регистрирующего прибора. Теперь нам должно быть понятно, почему многие световые явления хорошо описываются в рамках геометрической оптики.
Это те случаи, когда длина волны фотонов много меньше размеров регистрирующего их прибора, а энергия фотонов слишком мала, чтобы эти приборы могли ее зафиксировать. Волновые свойства электромагнитного излучения проще всего изучать в радиодиапазоне.
Радиотелескоп — устройство для приема и регистрации радиоизлучения космических объектов. При помощи радиотелескопа исследуются интенсивность радиоизлучения, его спектральная плотность, поляризация, определяются координаты источника радиоизлучения на небесной сфере.
Радиотелескоп состоит из направленной антенны и радиометра. Радиотелескоп, который имеет две или более антенны, работающие как единая система, называется радиоинтерферометром.
Изготовление антенны для приема самых коротких — миллиметровых — радиоволн не слишком сложная задача. Гораздо сложнее изготовить антенну для дальней космической связи, осуществляемой с помощью длинных многометровых радиоволн.
Чаши таких антенн достигают размеров футбольного поля. Правда, есть современные компактные аналоги таких антенн — фазированные антенные решетки.
А вот создание прибора для регистрации световых волн, длина которых составляет десятые доли микрона, уже требует особых ухищрений (хотя наш глаз прекрасно справляется с этой задачей). То, что электромагнитное излучение — это поток фотонов (их еще называют γ-квантами), четче всего проявляется в рентгеновской и γ-лучевой области спектра, где длина волны меньше сотой доли микрона.
Оптические фотоны, энергия которых ~2 — 3 эВ, проявляют свою корпускулярную сущность в таком хорошо изученном явлении, как фотоэффект.
В связи с двойственной природой света физическая оптика разделяется на волновую и квантовую.
