Chcąc nie chcąc zeszło mi na światło. Schodziło zresztą od dawna. Czyli chcąc. Ale chcę szybciej niż światło. Więc także nie chcąc. Bodaj pierwszy okiełzał światło niejaki Maxwell. Połączył światło z elektrycznością i magnetyzmem – wszystko w równaniach Maxwella. I od tego się zaczęło: szczególna teoria względności postawiła prędkość światła na tronie. Ogólna teori względności także grawitację uczyniła podwładną prędkości światła. Dobrze zrobił ten Maxwell czy źle – Bóg jeden raczy wiedzieć. Może się kiedyś od Niego i my dowiemy. A może i nie.
Mamy więc równania Maxwella. Ale te są ``klasyczne”. Kwantowa natura światła się tam nie przejawia. A światło nie tylko kwantową naturę ma, jeszcze te kwanty wszędzie indziej pakuje. Od światła wzięła się stała Plancka, a dziś znaleźć ją można niemal pod każdym kamieniem.
Więc równania Maxwella trzeba skwantować. By światło mogło wykazać swą ziarnistość. No i tu zaczynają się kłopoty. Kto chce wejść do cyrku, ten musi zapłacić za bilet. Ile kosztuje taki bilet do cyrku Kwantowe Światło?
Cóż, najpierw płacimy za samo bycie pod cyrkowym namiotem. Światło daje się skwantować bez narażania się na narowy dopiero po włożeniu do pudełka. Pudełko musi mieć skończone wymiary. Inaczej możliwe są fale o nieograniczonej długości. One straszą. Gdy takich fal jest skończenie wiele – jeszcze można wytrzymać. Gdy jednak zbiera się ich coraz więcej i więcej, to choć każdy taki foton ma maluśką energię, to gdy zbierze się ich dostatecznie wiele – w sumie dają energię co się w głowie (ani we Wszechświecie) nie mieści. Powstają rozbieżności podczerwone. Fizyk – jak dobry kucharz – takowych się nie boi. Zamyka światło w skończonym pudle i basta. Wyklucza tym samym fale dłuższe, takie co się w pudle nie mieszczą.
Ale wtedy pojawia się utrapienie drugie: światło o bardzo małych długościach fali też straszy. Nie mogą być za małe. Bo mała długość fali to duża częstotliwość. Znaczy duża energia. No przecież nie może być za duża – bo jeden foton miałby wtedy energię większą niż cały Wszechświat. Straszą rozbieżności w ultrafiolecie.
Fizyk, jak dobry kucharz, i na to ma radę: bierze nóż i co wystaje – obcina. Fizycy to kucharze. To powstańcy, to terroryści. Ogłaszają samozwańcze republiki. Matematycy, po walce, czasem fakty zaistniałe legalizują. Jednak nie zawsze daje się utrzymać trwały pokój.
Mamy więc światło w pudełku, przycięte jak należy. Gotowe do skwantowania. Ale do cyrku dalej wejść nie pozwalają. Równania Maxwella operują polami elektrycznym i magnetycznym. A te są narowiste. Szczęśliwie jedna para równań Maxwella daje się od razu, i to ogólnie, nawet zbyt ogólnie, rozwiązać. Wprowadzamy więc upiory – potencjały elektromagnetyczne – skalarny i wektorowy. Żyją sobie one w świecie duchów – zwykły śmiertelnik ich nie zobaczy. Duchy, jak wiadomo, bywają narowiste. Potencjałom elektromagnetycznym trzeba nałożyć kagańce - są zbyt ogólne. Fizyk, jak dobry kucharz, ma na to radę: dodaje do zupy „cechowanie Kulomba”. Że Einstein w grobie przewraca? No i co z tego! Widowisko musi odbyć. Po cechowaniu Kulomba potencjał elektromagnetyczny jest już okiełzany. Kwantujemy. Dodajemy Fouriera. Dzielimy światło na dyskretne mody. Każda taka moda zachowuje się jak oscylator harmoniczny. Elektrycy oscylatory znają. Każde radio takowe posiada. Z oscylatorem to sama frajda. Można go wprawiać w rezonans, można tłumić, można takim parametrycznie sterować. Można sprzęgać z innym oscylatorem. No i teoria kwantowa takiego oscylatora to sam cymes. Dla kucharza. Bo matematyk będzie narzekał. On kuchni fizyka nie lubi – ma swoje granki, swoje narzędzia. Ale o tym w kolejnej notce.
