البصريات الكمومية: كيف تتفاعل فوتونات الضوء مع المادة

البصريات الكمومية هي مجال فيزياء الكم التي تتعامل بشكل خاص مع تفاعل الفوتونات مع المادة. دراسة الفوتونات الفردية أمر حاسم لفهم سلوك الموجات الكهرومغناطيسية ككل.

لتوضيح ما يعنيه هذا بالضبط ، تشير كلمة "كم" إلى أصغر كمية لأي كيان مادي يمكن أن يتفاعل مع كيان آخر. لذلك ، تتعامل فيزياء الكم مع أصغر الجسيمات. هذه جسيمات دون ذرية صغيرة جدًا بشكل لا يصدق تتصرف بطرق فريدة.

تشير كلمة "البصريات" في الفيزياء إلى دراسة الضوء. الفوتونات هي أصغر جزيئات الضوء (على الرغم من أنه من المهم معرفة أن الفوتونات يمكن أن تتصرف كجزيئات وموجات).

تم تقديم النظرية القائلة بأن الضوء يتحرك في حزم منفصلة (أي الفوتونات) في ورقة ماكس بلانك 1900 على الكارثة فوق البنفسجية في إشعاع الجسم الأسود. في عام 1905 ، وسع آينشتاين على هذه المبادئ في شرحه لل التأثير الكهروضوئي لتعريف نظرية الفوتون للضوء.

تطورت فيزياء الكم خلال النصف الأول من القرن العشرين إلى حد كبير من خلال العمل على فهمنا لكيفية تفاعل الفوتونات والمادة وترابطها. ومع ذلك ، تم النظر إلى هذا على أنه دراسة للمسألة تنطوي على أكثر من الضوء المعني.

في عام 1953 ، تم تطوير الماسر (الذي أصدر موجات دقيقة متماسكة) وفي عام 1960 الليزر (التي تنبعث منها ضوء متماسك). عندما أصبحت خاصية الضوء المتضمنة في هذه الأجهزة أكثر أهمية ، بدأ استخدام البصريات الكمومية كمصطلح لهذا المجال المتخصص للدراسة.

تنظر البصريات الكمومية (وفيزياء الكم ككل) إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي على أنه يسافر في شكل موجة وجسيم في نفس الوقت. تسمى هذه الظاهرة ازدواجية موجة - جسيم.

التفسير الأكثر شيوعًا لكيفية عمل هذا هو أن الفوتونات تتحرك في تيار من الجسيمات ، ولكن السلوك العام لتلك الجسيمات يتحدد بواسطة دالة الموجة الكمومية التي تحدد احتمال وجود الجسيمات في مكان معين في وقت معين.

من خلال أخذ النتائج من الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED) ، من الممكن أيضًا تفسير البصريات الكمومية في شكل إنشاء وإبادة الفوتونات ، التي وصفها العاملون الميدانيون. يسمح هذا النهج باستخدام بعض الأساليب الإحصائية المفيدة في تحليل سلوك الضوء ، وإن كان ذلك يمثل ما يحدث جسديًا مسألة بعض النقاش (على الرغم من أن معظم الناس ينظرون إليه على أنه مجرد رياضيات مفيدة نموذج).

الليزر (والماسرات) هي أوضح تطبيق لبصريات الكم. الضوء المنبعث من هذه الأجهزة في حالة متماسكة ، مما يعني أن الضوء يشبه إلى حد كبير موجة جيبية كلاسيكية. في هذه الحالة المتماسكة ، يتم توزيع وظيفة الموجة الميكانيكية الكمومية (وبالتالي عدم اليقين الميكانيكي الكمومي) بالتساوي. لذا ، فإن الضوء المنبعث من الليزر هو أمر عالي التنظيم ، ويقتصر بشكل عام على نفس حالة الطاقة (وبالتالي نفس التردد وطول الموجة).