Moja recenzja "Wstępu do optyki kwantowej" autorstwa C.C.Gerry i P.L.Knight

Szczegóły

Kategoria: Recenzja

Opublikowano: sobota, 24, październik 2015 15:49

Autor : Janusz Szcząchor

Jest to jeden z niewielu dostępnych w języku polskim podręczników optyki kwantowej. Nie zamierzam tu szczegółowo przedstawiać treści tej książki, gdyż już to zrobiono. Polecam tu recenzję Ryszarda Tanasia z UAM Poznań zamieszczoną w "Postępach Fizyki", tom 59, str. 227 (2008). Moim celem jest przedstawienie osobistych uwag po lekturze tej książki.

Autorzy " Wstępu do optyki kwantowej " C.C.Gerry i P.L.Knight nie ustrzegli się luk w zwartości i logiczności sposobu prezentacji tematu. Mogą one sprawiać trudności studentom nieposiadającym dostatecznej znajomości języka angielskiego, a tym samym mającym problemy w czytaniu prac oryginalnych. Należy tu przyznać autorom, że sami we wstępie zastrzegli, iż prezentowany materiał nie jest łatwy.

Teraz przechodzę do szczegółów.

Prezentację przedmiotu optyki kwantowej zaczęto klasycznie, tj. od przedstawienia kwantowania pola elektromagnetycznego. Przedstawienie jest wyczerpujące do momentu zahaczenia o problem fluktuacji próżni i energii drgań zerowych.

W moim przekonaniu są to kluczowe zagadnienia z zakresu elektrodynamiki kwantowej, z pewnością wymagające głębszego zastanowienia.

 Jednak zaprezentowano je na przykładzie tylko przesunięcia Lamba i siły Casimira. Prezentacja ta jest moim zdaniem bardzo uboga, są to tylko 4 strony oparte na 2 pracach teoretycznych. Rozumiem, że celem tej prezentacji było w zasadzie wskazanie, że fluktuacje pola elektrycznego próżni wyrażone odchyleniem standardowym ( 2.47 ) w sposób mierzalny wpływają na rzeczywistość w przyrodzie.

Sami autorzy wskazali, że te zjawiska, to poważne problemy w kwantowej teorii pola. Wg. mnie, jeżeli już się sygnalizuje takie problemy studentowi, to warto byłoby przedstawić mu jakiś szerszy kontekst. Przecież, jeżeli wydaje się książkę do publicznego użytku, to nie może to być skrypt do wykładu dla studentów konkretnej uczelni!

Ja w każdym razie czuję niedosyt wiedzy zwłaszcza, że praca Bethego [4] pochodzi z roku 1947, a przytoczony artykuł Weltona jest tylko rok późniejszy.

Jak wiadomo samo istnienie pól oddziaływań bez materii dałoby mało ciekawy świat. Gdy do skwantowanych pól doda się materię również opisywaną mechaniką kwantową, to otrzymuje się bardzo skomplikowane problemy matematyczne.

Na ogół rozwiązuje się je w sposób przybliżony, traktując tylko materię w pełni kwantowo, a pole oddziaływania mniej lub bardziej klasycznie.

Tak też było, gdy sam byłem studentem. Problem przejść kwantowych w atomie wodoru rozwiązywano traktując klasycznie falę elektromagnetyczną. Na dodatek w ogóle nie informowano studentów, że istnieją ściśle rozwiązywalne i w pełni kwantowe modele oddziaływania materii z polem elektromagnetycznym.

A taki model istniał już od przełomu lat 50-tych i 60-tych. Jest to model Jaynesa-Cummingsa. Dlatego poświęcenie całego rozdziału temu zagadnieniu jest bardzo znaczące. A mimo to w przedstawionym materiale jest logiczna luka.

Model Jaynesa-Cummingsa posiada tę własność, że gdy atom ( tu tylko dwupoziomowy ) oddziaływuje z więcej niż jednym stanem pola o określonej liczbie fotonów, to ten atom oddziaływuje z każdym stanem pola niezależnie od pozostałych. A przecież można sobie wyobrazić zupełnie inny model tego oddziaływania.

Bez wspomnianej powyżej informacji niemożliwe jest otrzymanie wzoru (4.120). W tekście jednak brak jest jakichkolwiek wzmianek o tym fakcie i czytelnikowi jest prezentowany gotowy wynik obliczeń, bez wyjaśnienia jak go otrzymano. A wyjaśnienie znajduje się w pracy Journal of Modern Optics, vol.40, strony 1195 - 1238 (1993), którą na szczęście wskazano w spisie literatury na stronie 113.

Na szczególną uwagę zasługuje rozdział poświęcony światłu nieklasycznemu. Sama ta nazwa jest trochę myląca. Przez światło klasyczne rozumie się rozwiązania równania falowego, które w ustalonym punkcie przestrzeni mają natężenie pola zmieniające się sinusoidalnie w czasie.

Faktycznie takiego światła nie ma, a jego najlepszym przybliżeniem jest stan spójny. Jest to stan będący superpozycją stanów o liczbie fotonów od jeden do nieskończoności oraz stanu próżni. Wszystkie stany mają tę samą częstotliwość, a prawdopodobieństwo zaobserwowania n-fotonów jest dane rozkładem Poissona. Każde światło niebędące stanem spójnym jest nieklasyczne. Istnieją metody czynnego wpływania na światło tak, aby rozkład jego stanów przeszedł z Poissonowskiego na inny, a same światło stało się ściśnięte. I takim zagadnieniom poświęcony jest ten rozdział.

Kolejne bardzo ważne idee przedstawiono w rozdziale ósmym. Po pierwsze, wskazano na bardzo nowe prace poświęcone kształtowi linii widmowych. Teoria Wignera i Weisskopfa z eksponencjalnym rozpadem stanu wzbudzonego atomu jest bardzo formalna. Już od jakiegoś czasu znane są odchylenia od tej teorii polegające na ponownym wzbudzaniu się atomu.

Po drugie wskazano, że dawne sądy o możliwości badania tylko zespołów układów kwantowych również przechodzą już do przeszłości. Pojawienie się możliwości obserwowania pojedynczych układów kwantowych wywołało potrzebę teoretycznego opisu takich obiektów. W tym celu opracowano nowy typ równania kwantowego zwanego równaniem głównym ( ang. master equation ). Uwzględniono w nim fakt, że pojedynczy układ może składać się tylko z jednego atomu i stanu spójnego pola zamkniętych we wnęce.

 Równanie to opisuje ewolucję takiego układu, która może polegać na dysypacji lub na dekoherencji. Jednak wyprowadzenie równania jest tak skrótowe, że osoba pierwszy raz stykająca się z tym problemem nie ma żadnych szans klarownego zrozumienia przedstawianego rozumowania. To duży minus tego fragmentu książki.

Rozdział poświęcony optycznym sprawdzianom optyki kwantowej ma fundamentalne znaczenie. Wskazano w nim wiele nowych i zaskakujących efektów zwłaszcza, że są to zjawiska, których w moich czasach studenckich na ogół nie znano, a jednocześnie często są one pierwszymi, naprawdę faktycznymi dowodami na kwantową naturę promieniowania.

 Szczególnie interesujące, moim zdaniem, jest doświadczenie Hong, Ou i Mandela, które wg. mnie doskonale ilustruje dualizm falowo-korpuskularny. Będąc studentem śledziłem wiele rozumowań starających się wyjaśnić ten dualizm. Brakowało w nich jednak możliwości uzmysłowienia sobie czym naprawdę jest falowość pojedynczej cząstki. W tym doświadczeniu można zobaczyć to na własne oczy.

 Dziesiąty rozdział jest poświęcony elektrodynamice kwantowej we wnęce, a w szczególności atomom rydbergowskim umożliwiającym praktyczną realizację modelu Jaynesa-Cummingsa.

 Atom rydbergowski we wnęce autentycznie doznaje cyklicznych przejść kwantowych między stanem podstawowym, a wzbudzonym i gdyby nie ograniczona dobroć wnęki oscylowałby tak w nieskończoność.

Zastosowanie tych atomów jest bardzo szerokie, jednak dla mnie najważniejsza jest możliwość dotarcia do wyjaśnienia powodu rozpadu stanów wzbudzonych, jak i wszystkich okoliczności oraz przyczyn powstawania przejść kwantowych.

 Zaczyna być możliwe ilościowe policzenie wpływów różnych elementów na proces emisja-absorpcja, a nie tylko ogólne stwierdzenie, że wywołują to fluktuacje zerowych drgań próżni.

 Jeśli chodzi o błędy drukarskie w książce, to jest ich wiele. Ryszard Tanaś przedstawił w swojej recenzji ich kilkadziesiąt, nie są to jednak wszystkie. Na przykład rozdział 7 na stronie 153 zawiera dość oczywiste błędy rachunkowe, a jest to bardzo ważny rozdział poświęcony światłu nieklasycznemu. Dlatego nie można wierzyć wzorom i trzeba je koniecznie samemu sprawdzać.

 Reasumując, uważam ten podręcznik optyki kwantowej za bardzo wartościowy na rynku polskim. Jednak do jego studiowania konieczny jest conajmniej skrypt Ryszarda Tanasia dostępny na stronie internetowej UAM, a także niektóre prace oryginalne dostępne oczywiście w języku angielskim.