En 1905 Albert Einstein publica su articulo “Sobre un punto de vista heuristico concerniente a la produccion y transformacion de la luz” donde por primera vez se logra dar una explicacion al fenomeno del desprendimiento de electrones desde una superficie metalica como consecuencia de la incidencia de un haz de luz sobre dicha superficie. La explicacion se basa en el concepto de cuanto de energia introducido por Max Planck. En 1968 Willis E. Lamb Jr. y Marlan O. Scully en su articulo “El efecto fotoelectrico sin fotones” buscan dar una explicacion al mismo efecto estudiado y teorizado por Einstein, reemplazando el concepto de foton por una onda electromagnetica clasica la cual sera la encargada de estimular los electrones del atomo hasta el punto de lograr desprenderlos del mismo. En este caso, haciendo uso de la imagen de interaccion o imagen de Dirac y la teoria de perturbacion dependiente del tiempo se busca dar una explicacion probabilistica a la interaccion entre atomo y la radiacion. En este trabajo se reproducen los calculos llevados a cabo por Lamb y Scully, mostrando como a partir de un modelo semi-clasico se logra explicar los resultados experimentales del efecto fotoelectrico de la misma manera como lo hace la explicacion basada en el concepto de foton.
En 1905 Albert Einstein publica su articulo “Sobre un punto de vista heuristico concerniente a la produccion y transformacion de la luz” donde por primera vez se logra dar una explicacion al fenomeno del desprendimiento de electrones desde una superficie metalica como consecuencia de la incidencia de un haz de luz sobre dicha superficie. La explicacion se basa en el concepto de cuanto de energia introducido por Max Planck. En 1968 Willis E. Lamb Jr. y Marlan O. Scully en su articulo “El efecto fotoelectrico sin fotones” buscan dar una explicacion al mismo efecto estudiado y teorizado por Einstein, reemplazando el concepto de foton por una onda electromagnetica clasica la cual sera la encargada de estimular los electrones del atomo hasta el punto de lograr desprenderlos del mismo. En este caso, haciendo uso de la imagen de interaccion o imagen de Dirac y la teoria de perturbacion dependiente del tiempo se busca dar una explicacion probabilistica a la interaccion entre atomo y la radiacion. En este trabajo se reproducen los calculos llevados a cabo por Lamb y Scully, mostrando como a partir de un modelo semi-clasico se logra explicar los resultados experimentales del efecto fotoelectrico de la misma manera como lo hace la explicacion basada en el concepto de foton.
La luz y su naturaleza intrínseca han sido objeto de debate durante miles de años. Desde las ideas de Platón hasta la actualidad, se han ido refutando y completando diferentes teorías sobre qué es la luz. A día de hoy, la idea de que la luz es un conjunto de partículas llamadas fotones está muy extendida. El objetivo de este trabajo es analizar de forma crítica esta idea y el mismo concepto del fotón como corpúsculo, así como discutir distintos fenómenos paradigmáticos desde el punto de vista de las teorías semiclásicas, haciendo especial énfasis en el efecto fotoeléctrico que, popularmente, es considerado una de las mayores evidencias del carácter discreto de la radiación.
En el año en que se conmemoran los cien años de la mecánica cuántica, este artículo vuelve a analizar una pregunta antigua y, en apariencia, sencilla: ¿qué es la luz en sentido físico? Para intentar resolverla, se hace un recorrido histórico que va desde la teoría corpuscular de Newton y la descripción ondulatoria de Huygens, pasando por los experimentos de interferencia de doble rendija de Young, hasta la teoría de Maxwell que establece la luz como una onda electromagnética. Se muestra cómo esa respuesta, que parecía bien explicada hacia finales del siglo XIX, resultó insuficiente cuando a comienzos del siglo XX aparecieron resultados experimentales imposibles de explicar usando la física clásica. Con nuevos resultados experimentales, se muestra cómo la cuantización propuesta por Planck resuelve el problema de la radiación de cuerpo negro y cómo Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, obliga a introducir la idea los de cuantos de luz: los fotones. Posteriormente, se discute cómo la teoría y los experimentos contemporáneos consolidan la dualidad onda–partícula, incluso si se consideran fotones individuales, usando divisores de haz e interferómetros que revelan interferencia a nivel de un solo cuanto. Finalmente, se ofrece una visión general de desarrollos actuales que conectan los fundamentos de la mecánica cuántica, con el entrelazamiento, la no-localidad y las pruebas tipo Bell. Se hace énfasis en comprender, por qué los fotones siguen siendo centrales tanto para preguntas conceptuales aún abiertas como para tecnologías cuánticas emergentes, en particular la comunicación y la computación cuántica.
Mit der Einsteinsche Relativitätstheorie hat das menlischenDenken über den Kosmos eine neue Stufe erklommen."("Con la teoría de la relatividad de Einstein, el pensamiento humano ha ascendido un nuevo escalón en su comprensión del cosmos.")H. WEYL, Raurn, Zeit, Materie (Berlín, 1918). INTRODUCCIÓNEn el año 1905, Albert Einstein produjo tres artículos básicos para el desarrollo de la ciencia del siglo XX: un artículo sobre el movimiento browniano, que lo explicaba y, además, proporcionaba un método extremadamente preciso para contar átomos (lo que permitió establecer definitivamente la estructura corpuscular de la materia); un artículo en que desarrolló la teoría de la relatividad, algunas de cuyas consecuencias analizaremos; y, finalmente, un artículo en el que estableció que la luz (que hasta entonces se había considerado como una vibración) se comportaba, en el efecto fotoeléctrico, como partículas, a las que él llamó Lichtquanten y que son en la actualidad conocidas como fotones.Este último descubrimiento, tal vez el más fundamental, llevó -entre otras cosas-al desarrollo de la mecánica cuántica.No tiene, por supuesto, mucho sentido el discutir cuál de los tres descubrimientos es más importante.Cara al gran público, sin duda lo más conocido es la teoría de la relatividad, que ha producido la ecuación más famosa de la física,Lo menos conocido es la explicación del movimiento browniano, que la mayor parte de la gente (incluidos bastantes físicos) ignora.Entre los profesionales, la situación es distinta: la importancia del trabajo sobre el movimiento browniano es bien apreciada.En efecto, sin perjuicio de los éxitos de la teoría atómica, incluso a finales del siglo XIX aún quedaban dudas sobre su validez general; y esto debido a que no se había encontrado evidencia directa.El especular acerca de la composición atómica de la materia estaba muy bien, pero una prueba de la existencia real de estos átomos requería conocer su tamaño y estudiar sus propiedades.Esto pudo hacerse a principios del siglo pasado en buena parte gracias a los trabajos de Einstin sobre el movimiento browniano, que permitieron contar el número de átomos en un gramo de materia (lo que se conoce como el número de Avogadro).No es una exageración decir que los artículos de Einstein sobre el movimiento browniano proporcionan la confirmación final de la teoría atómica de la materia, algo al menos tan importante como la teoría de la relatividad y como la mecánica cuántica.No cabe duda, sin embargo, que tanto la teoría de la relatividad como la explicación del efecto fotoeléctrico representaron saltos conceptuales mucho más grandes que la explicación del movimiento browniano; después de todo, Dalton formuló la hipótesis atómica en 1808 y Avogadro consideró la cuestión de cuál es el número de
Esta charla va dirigida a oyentes muchos de los cuales no han estudiado Mecanica Cuantica. Tratare pues de ser lo mas economico posible en el uso de formulas, siguiendo la opinion de S. Hawking de que en un trabajo dirigido al publico no especializado cada formula reduce la audiencia a la mitad. Sin embargo va a ser una charla enfocada desde la fisica, en base a los experimentos e interpretaciones actuales, y no en el analisis historico de las formulaciones originales, o en discusiones filosoficas que todavia persisten. Albert Einstein contribuyo esencialmente al nacimiento de la Mecanica Cuantica. Al analizar el efecto fotoelectrico en 1905 fue el primero en proponer la discretizacion de la radiacion electromagnetica en cuantos de luz (fotones) como un autentico fenomeno fisico. Planck habia utilizado en 1900 una discretizacion analoga como un acto de desesperacion, para reproducir teoricamente el comportamiento observado de la radiacion del cuerpo negro, pero sin atreverse a proponerlo como algo mas que un metodo de calculo. Aunque al principio la explicacion de Einstein tropezo con fuertes reticencias, acabo siendo la contribucion concreta que se cita en la concesion de su Premio Nobel de Fisica en 1921. El analisis de Einstein del efecto fotoelectrico no es objeto de controversia hoy: los lectores interesados pueden encontrarlo discutido en los libros de Fisica Cuantica [1]. En la recomendacion para su ingreso en la Academia Prusiana de Ciencias, los firmantes, que incluian a Planck, decian: “... there is hardly one among the great problems, in which modern physics is so rich, to which Einstein has not made an important contribution. That he may have missed the target in his speculations, as, for example, in his hypothesis of light quanta (photons), cannot really be held too much against him, for it is not possible to introduce fundamentally new ideas, even in the most exact sciences, without occasionally taking a risk.”. En cambio, en la concesion del premio Nobel se dice “... for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the fotoelectric effect.” Estas dos citas estan recogidas en [1].
En la primera parte de este artículo, respondemos a los comentarios críticos de Michel Paty sobre nuestro trabajo "Einstein y el efecto Compton". Si bien nuestra intención no fue evaluar la respuesta de Einstein a la evidencia experimental de la hipótesis cuántica de la luz más allá del año 1923, en la segunda parte del artículo evaluamos dos importantes experimentos completados en 1924: los realizados por Bothe y Geiger en Alemania y los de Compton y Simon en los Estados Unidos. Discutimos por qué ambos experimentos proporcionaron pruebas adicionales que respaldaron los puntos de vista de Einstein sobre la teoría cuántica de la radiación. Sin embargo, afirmamos que aun después de conocer estos resultados, Einstein nunca expresó un juicio categórico sobre la realidad de los cuantos de luz tal como el que formuló De Broglie a principios de 1923, con el que comparamos el punto de vista de Einstein.
La emisión estimulada se caracteriza por ser el único fenómeno que permite clonar el estado cuántico de un fotón, es decir, el fotón emitido tiene la misma energía, polarización y está en fase con el fotón incidente. Este hecho diferencia la emisión estimulada de la espontánea, en la cual el fotón emitido tiene una energía, polarización y fase aleatoria. Además, la emisión estimulada es el proceso fundamental para conseguir radiación coherente en un sistema LASER cuya coherencia está limitada solo por la emisión espontánea, debido a que el fotón emitido por emisión estimulada no es idéntico con el fotón emitido por emisión espontánea. No obstante, los modelos actuales para describir el estado de un fotón presentan la falencia de no poder distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización, y más aún, ningún modelo asocia alguna fase a estos estados. En este trabajo se propone una nueva descripción del fotón como un paquete de ondas de estados coherentes, el cual se denomina aquí como un Fotón de Fase, y se demuestra que este estado constituye una representación válida del fotón, con la cual, se logra encontrar una función de onda que es solución a la ecuación de onda cuántica relativista del fotón, y que además tiene una fase global asociada, permitiendo así distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización por medio de la fase asociada a cada fotón. Finalmente, haciendo uso de los operadores bosónicos de creación y aniquilación para estos fotones de fase, se modifica el Hamiltoniano de interacción de Jaynes-Cummings y se logra mostrar que esta descripción permite entenderla emisión estimulada como una clonación del estado del fotón, donde, además, los fotones comparten la misma fase y su estado es diferente a un fotón emitido por emisión espontánea.