Redakcja: Czym jest optyka kwantowa?

Prof. Jan Mostowski: Optyka ogólnie jest dziedziną bardzo starą, powstałą zapewne u zarania cywilizacji ludzkości. Z tym, czym się ona zajmuje, czyli światłem i badaniem światła, mamy do czynienia codziennie, ponieważ większa część percepcji naszego świata polega na tym, że coś się widzi. W początku XX w. przekonano się, że światło posiada nie tylko cechy fali, ale również i cechy cząstek. Te cząstki zostały nazwane fotonami. Cząstki podlegają prawom fizyki kwantowej, a więc badanie zjawisk kwantowych, które występują w świetle nazywa się teraz optyką kwantową. Można się zastanawiać, czym optyka kwantowa różni się od optyki niekwantowej? Te pojęcia są dosyć zamazane, ponieważ mamy w końcu do czynienia z tym samym obiektem. O ile taka klasyczna optyka posługuje się falami do opisu światła, o tyle optyka kwantowa używa raczej pojęcia cząstek światła, fotonów. Właściwości tych fotonów i zjawisk zachodzących z ich udziałem są właśnie domeną optyki kwantowej.

Na czym polegają zasługi Roya Glaubera dla tej dziedziny?

Mimo że Nagroda Nobla dla Glaubera została przyznana w roku 2005, to prace, za które ją dostał są dosyć stare i pochodzą z początku lat 60. zeszłego wieku. Glauber zastanawiał się w nich, co to właściwie znaczy, że światło laserowe jest spójne, a np. światło pochodzące z takiej tradycyjnej żarówki z włóknem niespójne? O takiej spójności możemy zapewne poczytać nawet w szkolnych podręcznikach, jakieś niezbyt jasne stwierdzenia typu, że światło jest spójne wtedy, kiedy podlega interferencji. Światło jako fala istotnie podlega zjawisku interferencji i dyfrakcji, ale jak to jest z fotonami w opisie kwantowym? Czy światło w tym opisie też podlega dyfrakcji? Oczywiście też, ponieważ jest to ten sam obiekt, tylko opisany za pomocą fotonów.

Istnieje więc światło pochodzące z laserów i światło pochodzące z żarówki. Pytanie brzmi, czy one się czymś różnią i w jakim stopniu? Glauber podszedł do tego, tak przypuszczam, jak prawdziwy, dobrze wykształcony fizyk powinien. Rozmyślał nad tym, jakiego typu doświadczenie może wykazać podobieństwa i różnice pomiędzy tymi dwoma rodzajami światła. Trzeba tutaj dodać, że lasery, czyli źródła światła wyraźnie różne od żarówek czy płomienia świeczki powstały w okolicy 1959 r. a więc to, że we wczesnych latach 60. istniały inne źródła światła było wtedy czymś bardzo świeżym i na czasie.

Glauber zastanawiał się zatem, jakie doświadczenia mogą wskazać na spójność czy też niespójność światła. Odpowiedzią okazały się doświadczenia ze zliczaniem fotonu. Dzisiaj mamy z tym do czynienia w każdym fotograficznym aparacie cyfrowym, gdzie na matrycy znajduje się bardzo dużo takich liczników fotonów. Jeśli padnie tam foton, to daje on sygnał elektryczny i w ten sposób powstaje zdjęcie. Wtedy w latach 60., czy nawet jeszcze wcześniej, liczniki fotonów też były dostępne, chociaż posiadały duże rozmiary i sporo kosztowały. Glauber rozpatrywał, ile wyjdzie zliczeń jakiegoś licznika albo jakie będą korelacje pomiędzy zliczeniami, np. jeżeli jeden licznik zarejestruje w jakimś miejscu 10 fotonów, to ile zarejestruje drugi licznik umieszczony gdzieś obok? W ten sposób zaczął opisywać różnice pomiędzy światłem spójnym a światłem niespójnym. To był taki pierwszy poważny teoretyczny opis spójności światła i różnicy pomiędzy światłem laserowym a światłem termicznym.

Jakie były zasługi Johna L. Halla i Theodora Hänscha w dziedzinie spektroskopii laserowej?

Obaj ci panowie, Hänsch i Hall pracowali niezależnie nad tzw. bardzo precyzyjną spektroskopią. Chodzi w niej o to, żeby poziomy energetyczne atomów wyznaczać możliwie dokładnie. Jest to dziedzina, która powstała bardzo dawno, pewnie jeszcze w XIX w., kiedy zauważono, że dla danych substancji da się wykazać różne charakterystyczne linie widmowe. Hänsch zajmował się wyznaczaniem poziomów energetycznych najprostszego atomu, jaki istnieje, czyli wodoru. W atomie wodoru jest tylko jeden elektron. Kiedy absorbuje on światło o danej częstości również możemy zobaczyć jego Iinię widmową. Wyznaczenie tych poziomów ukazywał wzór Balmera, który nie był jednak wystarczająco dokładny. A chodziło przecież o to, żeby zmierzyć je z większą dokładnością.

Teraz pytanie, po co? Cel był przede wszystkim poznawczy, aby dowiedzieć się, jak dobrze rozumiemy oddziaływanie atomów z polem elektromagnetycznym. Z biegiem lat Hänsch coraz dokładniej wyznaczał te poziomy, dzięki czemu coraz lepiej potwierdzała się teoria zwana elektrodynamiką kwantową, opisująca oddziaływanie elektronów z polem elektromagnetycznym. W końcu doszło jednak do momentu, że dokładniej się już nie dało. Nie wiadomo było bowiem, jaka jest struktura protonu. W atomie wodoru oprócz elektronu znajduje się proton, a rola jego struktury wewnętrznej na poziomie energetycznym elektronu jest bardzo malutka, ale jednak jest. W tej chwili dokładność wyznaczania tych poziomów jest tak duża, że zależy właśnie od wewnętrznej struktury protonu.

Całe zagadnienie można teraz odwrócić i powiedzieć, że za sprawą metod optycznych i z pomocą oddziaływania z elektronem badamy wewnętrzną strukturę protonu. Oczywiście to nie jest jedyna metoda badania tych wnętrz, które bada się również w akceleratorach za pomocą metod fizyki jądrowej. W tej chwili jest to znacznie bardziej dokładne, ale też koszt tych badań, w porównaniu z doświadczeniami optycznymi, które robi Hänsch, jest ogromny. Tak więc w ten sposób powstała swojego rodzaju konkurencyjna metoda badania protonów.

Oglądaj całość