КВАНТОВА ОПТИКА
КВАНТОВА ОПТИКА - розділ оптики, що вивчає квантові властивості світла. Можна сказати, що квантова оптика - це квантова фізика світла. Інтерес до квантової оптики з'явився ще в першій половині 20 ст. але особливо інтенсивний розвиток ця галузь науки отримала в кінці 20 ст. коли фізики навчилися готувати особливі стану світла - так званий некласичний світло. Зараз некласичний світло успішно застосовується в метрології, спектроскопії, використовується для точних вимірювань, а також для секретної передачі інформації. Крім того, підходи і методи квантової оптики дозволяють істотно доповнити ту інформацію, яку дають різні виміри, пов'язані з випромінюванням і поглинанням світла.
Саме для світла, а, точніше, для електромагнітного поля, була вперше запропонована ідея квантового опису. Цю ідею в 1900. висунув Макс Планк. припустивши, що випромінювання світла відбувається порціями - квантами. Це припущення багатьом здавалося парадоксальним, але воно стало рятівним для цілого розділу оптики. Воно дозволило пояснити форму спектра випромінювання нагрітих тіл, яку раніше пояснити не вдавалося. Попередні спроби розрахувати спектр випромінювання приводили до того, що в області малих довжин хвиль, тобто в ультрафіолетовій частині спектру, виникали необмежено великі значення - розбіжність. Зрозуміло, в експерименті ніяких расходимостей не спостерігалося, і це невідповідність між теорією і експериментом отримало назву «ультрафіолетової катастрофи». Припущення про те, що випромінювання світла відбувається порціями, дозволило прибрати розбіжність в теоретично розрахованих спектрах і, тим самим, позбавити фізику від «ультрафіолетової катастрофи».
Крім спектрів випромінювання, у фізиці залишалося ще одне неясне місце, а саме, явище фотоефекту (див. Фотоелектричний ефект). Було неясно, чому кінетична енергія електронів, що вибиваються світлом з металу, залежить від частоти світла. Більш того, світло з досить малою частотою взагалі не здатний викликати фотоефект. Оскільки мала частота світла відповідає червоній частині спектра, то це явище називають червоною межею фотоефекту. У 1905 Альберт Ейнштейн використовував для пояснення фотоефекту гіпотезу квантів. Ідея Ейнштейна полягала в тому, що кожному електрону дістається одна-єдина порція енергії - один квант. І якщо енергія цього кванта мала, її просто не вистачає для виходу електрона з металу. На основі цієї ідеї Ейнштейн розвинув теорію фотоефекту, яка прекрасно підтвердилася експериментальними даними.
Тепер виявилося, що світло і випромінюється, і поглинається порціями. Це спонукало Ейнштейна припустити, що світло завжди має дискретну структуру. Ця чудова ідея була лише гіпотезою: адже з того, що поглинання і випромінювання світла відбувається порціями, ще не випливає, що світло і існує тільки у вигляді порцій. Але саме ця ідея виправдовує назву «квантова оптика», і саме з розвитком квантової оптики з'явилися більш вагомі аргументи на користь квантової природи світла.
Частинки або хвилі?
На початку 20 ст. кванти світла стали називати фотонами, і незабаром стало загальноприйнятим твердження: «Світло складається з фотонів». З'явилося уявлення про світло як про потік корпускул, т. Е. Частинок. Проте, хвильові явища, які спостерігаються для світла, наприклад, інтерференцію і дифракцію, не вдавалося пояснити з точки зору корпускулярної структури світла. Виходило, що світло, та й взагалі електромагнітне випромінювання - це хвилі і в той же час потік частинок (див. КВАНТОВА МЕХАНІКА). Примирити ці дві точки зору дозволив розвинений до середини 20 ст. квантовий підхід до опису світла. З точки зору такого підходу, електромагнітне поле може знаходитися в одному з різних квантових станів. При цьому існує тільки один виділений клас станів із заданим числом фотонів - фоковскіе стану, названі так по імені В.А.Фока. Тому фразу «світло складається з фотонів» не слід розуміти буквально - так, наприклад, світло може перебувати в такому стані, що з імовірністю 99% він не містить фотонів, а з ймовірністю 1% він містить два фотона. В цьому одна з відмінностей фотона від інших елементарних частинок - наприклад, кількість електронів в обмеженому обсязі задано абсолютно точно, і його можна визначити, вимірявши повний заряд і поділивши на заряд одного електрона. Кількість же фотонів, що знаходиться в деякому обсязі простору протягом деякого часу, виміряти точно можна в дуже рідкісних випадках, а саме, тільки тоді, коли світло знаходиться в фоковскіх станах. Цілий розділ квантової оптики присвячений різним способам приготування світла в різних квантових станах, зокрема, приготування світла в фоковскіх станах являє собою важливу і не завжди здійсненне завдання.
Експеримент Брауна - Твісса.
Поодинокі і корельовані фотони. Чи може бути неквантовой фізика світла? Звичайно, так, і в більшості випадків оптичні явища можна пояснити без допомоги квантової теорії. Але є багато випадків, коли це не так і коли важнао враховувати квантову природу світла.
Некласичний світло.
Експерименти по реєстрації світла з угрупованням і антігруппіровкой фотонів дійсно довели фотонну структуру світла, і їх можна вважати «справжніми квантовооптіческімі» експериментами. Але в обох випадках світло приготовлявся в спеціальних квантових станах з заданим числом фотонів. В експериментах першого типу реєструвався двухфотонний світло, в експериментах другого типу - однофотонний світло. Таким чином, знову можна прийти до висновку, що тільки в особливих станах світло проявляє властивості, які неможливо пояснити з класичних позицій. Такі стани світла називають некласичними.
У двухфотонного світла є ще одна чудова властивість. Виявилося, що таке світло можна використовувати для експериментальної перевірки основної ідеї квантової механіки - ідеї про імовірнісний поведінці окремих квантових частинок (див. НЕРІВНОСТІ БЕЛЛА).