Wann ist die Quantenoptik "richtig"?

Was ist das Regime, unter dem wir die quantenoptische Beschreibung von Licht als gute Annäherung an eine korrektere Theorie wie QED betrachten können ?

Mit Quantenoptik meine ich die Beschreibung des elektromagnetischen Feldes als eine Sammlung harmonischer Oszillatoren und seine Wechselwirkung mit Teilchen durch den Hamilton-Operator

H = ( P − A ) 2 2 M + v C Ö u l + H F R e e
Wo H F R e e ist eine Summe harmonischer Oszillatoren.

Ich würde sagen, die physikalischen Anwendungen in diesem Bild sind nicht durch die Art und Weise begrenzt, wie Sie Photonen behandeln, sondern wie Sie Materie behandeln. Wenn Sie keine Paarproduktion zulassen können, müssen Sie sowohl in der Energie als auch in der Photonendichte unter der Paarproduktionsschwelle bleiben.

Antworten (2)

Die zweitquantisierte Beschreibung des elektromagnetischen Feldes in Form von Oszillatoren gilt auch in der QED. Der modifizierte Teil ist die Einzelteilchenbeschreibung geladener Teilchen. Mit anderen Worten, die (virtuelle und reale) Paarbildung ist in QED erlaubt. Also für Energieskalen kleiner als 2 M C 2 sowie bei niedrigen Intensitäten (siehe Schwinger-Grenze ), bei denen eine Paarbildung nicht möglich oder unterdrückt ist, kann mit einer festen Anzahl geladener Teilchen gearbeitet werden.

(Ein Zwischenschritt zur QED besteht darin, von der nicht-relativistischen Schrödinger-Gleichung zur Dirac- (oder Klein-Gordon-) Gleichung zu gehen. Die Aufschlüsselung dieser Beschreibung wird durch das Klein-Paradoxon veranschaulicht.)

(Bearbeitet, um den Kommentar von @curiousone aufzunehmen.)

+1 für eine prägnante Zusammenstellung eines nützlichen Kriteriums, eine intuitive und klare Begründung dafür sowie einen Hinweis auf das Klein-Paradoxon, das auf sehr elementare Weise zeigt, wie vorsichtig man vorgehen muss, wenn die Paarproduktion beginnen kann. Wunderbar.

Laut Wikipedia ist die Quantenoptik das Studium des Lichts und seiner Wechselwirkung mit Materie sowohl im halbklassischen als auch im Quantenbereich.

Die halbklassische Beschreibung wird verwendet, wenn es nur um durchschnittliche Effekte wie Intensitätsänderungen von Licht und Besetzungsinversion bei Lasern geht . In dieser Beschreibung wird Licht als klassische elektromagnetische Welle und Atom als quantenmechanisches Objekt behandelt. Alle Beugungs- und Interferenzphänomene von Licht können beschrieben werden, indem Licht als klassische elektromagnetische Welle behandelt wird.

Wenn wir uns jedoch mit kurzzeitigen Lichtschwankungen und Korrelationsfunktionen höherer Ordnung der Intensität befassen , sollten wir die Quantenbeschreibung des Lichts verwenden, dh Licht besteht aus diskreten Quanten, die als Photonen bezeichnet werden. Diese Photonen werden von Atomen und Molekülen erzeugt und vernichtet. Die Erzeugung und Vernichtung von Photonen wird durch Leiteroperatoren ( A Und A † bzw.) eines harmonischen Oszillators. Dieses Experiment wird Ihnen mehr über die Quantenbeschreibung von Licht erzählen.

Quantenelektrodynamik (QED) ist eine Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen bei relativistischen Geschwindigkeiten (sehr hohe Energien) oder zur Erklärung sehr kleiner Verschiebungen der Energieniveaus von Atomen, die als Lamb-Verschiebung bezeichnet werden . Hier erfolgt die Wechselwirkung zwischen den geladenen Teilchen durch den Austausch von Photonen. Die Beschreibung des Lichts hier ist also dieselbe wie die oben erwähnte Quantenbeschreibung des Lichts. Diese Photonen der QED werden üblicherweise als virtuelle Photonen bezeichnet, da sie nicht direkt nachgewiesen werden können. Ein echtes Photon kann aber auch entstehen, wenn sich Materie und Antimaterie zu einem Photon verbinden. Auch ein sehr energiereiches (hochfrequentes) Photon, das als Gammastrahlenphoton bezeichnet wird , kann spontan Materie- und Antimaterie-Partikelpaare erzeugenin Anwesenheit eines Kerns. Dies ist der Bereich von QED.

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