Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

в экспериментах с фотоэлектрическим эффектом, и поэтому привлекла весьма большое внимание. Ситуация оставалась несколько запутанной, пока Роберт Милликен[63], один из наиболее точных физиков-экспериментаторов, однажды не занялся этим вопросом.

Эксперименты были очень чувствительными к загрязненности металлических поверхностей и небольшим сдвигам напряжения, которые возникают от контакта между различными металлами. Но Милликен и его команда[64] сумели справиться со всеми проблемами и обеспечили убедительное экспериментальное подтверждение модели Эйнштейна в 1916 году. Они сделали измерения постоянной Планка, которая совпадала с предыдущими оценками, но с большей точностью.

Это не означает, однако, что Милликен был сторонником фотонной модели. В действительности изданную им первую статью по данной теме можно назвать шедевром пассивно-агрессивного стиля в научной литературе:

«Фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна для максимума энергии испускания отрицательно заряженного электрона под действием ультрафиолетового света… не может, по моему мнению, рассматриваться в настоящее время как поддерживаемое какими-либо удовлетворительными теоретическими обоснованиями. Его подтверждение, таким образом, исключительно экспериментальное… В последние годы я исследовал это уравнение с помощью экспериментов с самых разных точек зрения и был вынужден прийти к заключению, что, каким бы не было его происхождение, оно действительно представляет очень точное поведение. для всех веществ, с которыми я работал».

Ворчливое признание Милликеном точности модели Эйнштейна, несмотря на его личные оговорки, достаточно характерно представляют общее мнение ученых в то время. Фотонная модель была слишком далека от классической физики, чтобы ее легко приняли, но она слишком хорошо работала, чтобы можно было ею пренебречь. Со временем корпускулярный взгляд на свет стал более приемлемым, хотя общие усилия найти альтернативное объяснение продолжались до середины 1920-х годов. В чисто техническом смысле неопровержимое экспериментальное доказательство существования фотонов было сделано лишь в 1977 году[65], но с практической точки зрения определение света как частицы было принято как часть квантовой физики в 1930-х или около того. И Эйнштейн, и Милликен достаточно успешно поработали над фотоэлектрическим эффектом. В то время как Эйнштейн наиболее известен за свою теорию относительности, фотоэлектрический эффект оказался единственным конкретным результатом, упомянутым как его заслуга в Нобелевской премии по физике 1921 года[66]. Как мы увидим, это новое понимание природы света расчистило дорогу многим технологиям, которые заняли центральное место в современной жизни.

Фотоэлектрические технологии

Дуальная природа света как частицы и как волны считается одним из классических примеров причудливости квантовой физики – явления с явно противоречивыми свойствами. Очевидно, что в самом фотоэлектрическом эффекте, который относится к корпускулярному свойству (энергия, содержащаяся в одном фотоне) волновой характеристики (частоте света), есть некоторая потенциальная путаница, поскольку это означает, что частица имеет частоту. Даже сегодня физики продолжают спорить о том, каким языком описывать природу света и как лучше преподносить базовые положения.

Как таковая идея фотонов может показаться слишком эксцентричной для использования в повседневной жизни. В действительности же она стала центральной для понимания сущности любой технологии, которая превращает свет в электрический сигнал.

По всеобщему признанию, прибор, который показывает четкую связь с фотоэлектрической физикой, слегка загадочен: известен как «фотоэлектронный умножитель» и состоит из ряда металлических пластин под высоким напряжением (обычно от нескольких сотен до тысяч вольт) между ними. Фотон света, падающий на первую из этих пластин, выбивает один электрон за счет фотоэлектрического эффекта. Высокое напряжение затем ускоряет этот электрон, заставляя двигаться к следующей пластинке, ударяется и выбивает уже несколько (от 10 до 20) электронов[67]. Каждый из них ускоряется, в свою очередь, к следующей пластинке и так далее. В конце фотоумножителя единственный фотон заставляет испустить таким каскадным способом миллионы электронов, производя слабый импульс тока, что можно зарегистрировать. Фотоумножители могут быть крайне чувствительными и способны зарегистрировать отдельный фотон, и они лежат в основе многих экспериментов по исследованию квантовой природы света. Они обычно используются в каких-нибудь устаревших системах, типа «электрический глаз», и сегодня фотоумножительные трубки, в общем, можно встретить только в физических лабораториях.

В сущности та же физика используется в основе цифровых камер. Каждый пиксель в сенсоре цифровой камеры состоит из маленького кусочка полупроводникового материала, на который некоторое время падает свет. Тогда падающие на него фотоны не полностью выбивают электроны из материала, а выводят его из неподвижного состояния в такое, когда он может свободно передвигаться (подробнее я расскажу об этом в главе 8). Когда затвор камеры открыт, чтобы снять фотографию, все электроны в пределах одного пикселя начинают свободно течь и собираются[68], создавая напряжение, что дает значение яркости света, падающего на этот пиксель. В конце времени выдержки все эти напряжения от пикселей считываются, чтобы создать образ.

Фотосенсоры, основанные на кремнии, имеют огромные преимущества за счет малых размеров и возможности удобной интеграции с процессорами, обрабатывающими цифровую информацию. Сегодня процессор в камере достаточно мал, чтобы использовать в мобильном телефоне. Он содержит такое число пикселей, что успешно конкурирует с цифровыми камерами профессионального уровня. Камера в моем смартфоне имеет 16.1 миллиона пикселей (стандартное фото имеет размер в 5344 Ангстрема[69] – 3006 пикселей), в то время как моя хорошая DSLR камера имеет 24 миллиона (6000 Ангстрем × 4000 пикселей). Основное ограничение по качеству в наши дни для мобильных телефонов представляет оптическая часть системы, а не электронная: сборный пакет линз, достаточно малый, сейчас имеет более ограниченные возможности, чем большие линзы отдельной камеры. Для большинства людей, которые не слишком серьезно относятся к фотографии, эти ограничения не так заметны.

Для создания цветных датчиков решетка из красных, зеленых и синих фильтров размещается поверх массива пикселей таким образом, что каждый пиксель определяет свет одного цвета. Чтобы образовать конечное изображение, напряжения от расположенных рядом пикселей разного цвета комбинируются для определения смеси красного, зеленого и синего цветов, что наилучшим образом определяет свет в этой точке изображения.

Цифровые камеры измеряют только три цвета, поскольку это очень похоже на тот способ, которым человеческий глаз обрабатывает свет для определения цвета. Когда фотон ударяется в светочувствительную клетку сетчатки глаза, энергия фотона запускает изменения конфигурации молекулы протеина, что далее запускает цепь химических реакций, которые в итоге посылают сигнал в мозг, чтобы проинформировать: эта конкретная клетка почувствовала свет. Существует три разновидности этих клеток, каждая чувствительна к различным длинам волны фотона, и мозг использует различные отклики от каждого типа для воспроизведения цвета, который мы видим. Максимальная чувствительность находится на длинах волн, соответствующих синему, зеленому и желто-зеленому свету, хотя все три типа клеток чувствительны к широкой части спектра. Наш мозг получает цвет смешением уровней активности этих клеток: