OPTICE QUANTUM
QUANTUM OPTICS este o divizie a opticii care studiaza proprietatile cuantice ale luminii. Putem spune că optica cuantică este fizica cuantică a luminii. Interesul pentru optica cuantică a apărut în prima jumătate a secolului al XX-lea. dar acest domeniu al științei a cunoscut o dezvoltare deosebit de intensă la sfârșitul secolului al XX-lea. când fizicienii au învățat să pregătească stări speciale de lumină - așa-numita lumină non-clasică. Acum, lumina non-clasică este utilizată cu succes în metrologie, spectroscopie, este utilizată pentru măsurători exacte, precum și pentru transferul secret de informații. În plus, abordările și metodele de optică cuantică fac posibilă completarea substanțială a informațiilor oferite de diverse măsurători asociate radiației și absorbției luminii.
Pentru lumină și, mai precis, pentru câmpul electromagnetic, a fost propusă ideea unei descrieri cuantice. Această idee în 1900. a prezentat Max Planck. presupunând că radiația de lumină are loc în porții - quanta. Această presupunere părea paradoxală pentru mulți, dar a devenit salutară pentru o întreagă secțiune de optică. Aceasta a permis explicarea formei spectrului de radiații al corpurilor încălzite, care anterior nu a putut fi explicat. Încercările anterioare de calculare a spectrului de radiații au dus la faptul că în regiunea lungimilor de undă mici, adică în partea ultravioletă a spectrului, au apărut valori infinit de mari - divergențe. Desigur, nu au fost observate divergențe în experiment, iar această discrepanță între teorie și experiment a fost numită "catastrofă ultravioletă". Presupunerea că emisia de lumină apare în loturi a făcut posibilă eliminarea divergențelor în spectrele calculate teoretic și, prin urmare, salvarea fizicii de la "catastrofa ultravioletă".
În plus față de spectrele de emisie, a existat încă un alt loc vag în fizică, și anume, fenomenul efectului fotoelectric (a se vedea EFECTUL PHOTOELECTRIC). Nu era clar de ce energia cinetică a electronilor bătută de lumina de la un metal depinde de frecvența luminii. În plus, lumina cu o frecvență suficient de scăzută nu este deloc capabilă să producă un efect fotoelectric. Deoarece o mică frecvență de lumină corespunde părții roșii a spectrului, acest fenomen se numește limita roșie a efectului fotoelectric. În 1905, Albert Einstein a folosit ipoteza cuantică pentru a explica efectul fotoelectric. Ideea lui Einstein a fost că fiecare electron primește o singură porțiune de energie - un cuantum. Și dacă energia acestui cuantum este mică, pur și simplu nu este suficient ca electronul să părăsească metalul. Pe baza acestei idei, Einstein a dezvoltat teoria efectului fotoelectric, care a fost confirmată perfect de datele experimentale.
Acum s-a dovedit că lumina este radiată și absorbită în porții. Aceasta a determinat-o pe Einstein să presupună că lumina are întotdeauna o structură discretă. Această idee remarcabilă a fost doar o ipoteză: deoarece din faptul că absorbția și emisia de lumină are loc în porțiuni, ea nu mai urmează că lumina există doar sub formă de porțiuni. Dar tocmai această idee justifică denumirea de "optică cuantică" și, odată cu dezvoltarea opțiunii cuantice, au apărut argumente mai grele în favoarea naturii cuantice a luminii.
Particule sau valuri?
La începutul secolului 20. cuantele de lumină au început să se numească fotoni și în curând a devenit general acceptată: "Lumina constă în fotoni". A fost o idee de lumină ca un flux de corpusculi, adică particule. Cu toate acestea, fenomenul valurilor observat pentru lumină, de exemplu, interferența și difracția, nu a putut fi explicat din punct de vedere al structurii corpusulare a luminii. Sa dovedit că lumina și, în general, radiațiile electromagnetice - acestea sunt valuri și, în același timp, un flux de particule (a se vedea MECANICA QUANTUM). Pentru a reconcilia aceste două puncte de vedere permise la mijlocul secolului al XX-lea. abordare cuantică a descrierii luminii. Din punctul de vedere al acestei abordări, câmpul electromagnetic poate fi într-una din stările cuantice diferite. În acest caz, există o singură clasă distinctivă de state cu un anumit număr de fotoni - state Fock, numite după VA Fock. Prin urmare, expresia "lumina constă în fotoni" nu ar trebui luată literal - de exemplu, lumina poate fi într-o stare care, cu o probabilitate de 99%, nu conține fotoni și cu o probabilitate de 1% conține două fotoni. Aceasta este una dintre diferențele dintre un foton și alte particule elementare - de exemplu, numărul de electroni într-un volum limitat este dat exact și poate fi determinat prin măsurarea încărcăturii totale și împărțirea prin încărcarea unui electron. Numărul de fotoni, care se află într-un anumit volum de spațiu de ceva timp, poate fi măsurat cu exactitate în cazuri foarte rare, și anume, numai atunci când lumina se află în stările Fock. O întreagă secțiune a opțicii cuantice este dedicată diferitelor metode de pregătire a luminii în diferite stări cuantice, în special, pregătirea luminii în statele Fock este o sarcină importantă și nu întotdeauna fezabilă.
Experimentul Brown-Twiss.
Fotoni unici și corelați. Poate exista o fizica non-cuantica a luminii? Desigur, da, și în cele mai multe cazuri fenomenele optice pot fi explicate fără ajutorul teoriei cuantice. Dar există multe cazuri când nu este așa și atunci când este important să țineți cont de natura cuantică a luminii.
Lumina non-clasică.
Experimentele privind înregistrarea luminii cu gruparea și ansamblarea fotonilor au dovedit într-adevăr structura fotonică a luminii și pot fi considerate experimente "cuantice-optice reale". Dar în ambele cazuri, lumina a fost pregătită în stări speciale cuantice, cu un anumit număr de fotoni. În experimentele de primul tip, a fost detectată lumina cu două fotoni, în experimentele de tipul celui de-al doilea, lumina cu un singur foton. Astfel, putem ajunge din nou la concluzia că numai în state speciale lumina prezintă proprietăți care nu pot fi explicate din punct de vedere clasic. Astfel de stări de lumină sunt numite nonclassical.
Lumina cu două fotoni are încă o proprietate remarcabilă. Sa dovedit că o astfel de lumină poate fi folosită pentru a testa experimental ideea de bază a mecanicii cuantice - ideea comportamentului probabilistic al particulelor cuantice individuale (a se vedea INCALITĂȚILE BELL).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: