¿Es la emisión de fotones el proceso de absorción de fotones en reversa en el tiempo?

Question

Digamos que tenemos un átomo sobre el cual disparamos un fotón. ¿Es el proceso de absorción el proceso invertido en el tiempo de la emisión? No puedo imaginar que los dos procesos sean iguales, aunque en ambos casos el fotón tenga la misma energía media. ¿Podemos decir, si "vemos" un fotón salir de un átomo, si el tiempo avanza, o si es la imagen invertida en el tiempo de la absorción?

En el efecto Compton, los dos fotones reales, antes y después de la dispersión, tienen diferentes energías, pero aún así, el proceso podría ir tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo.

Por otro lado (digamos en un átomo de hidrógeno), si consideramos el fotón absorbido y emitido, tienen la misma energía (momento) pero no creo que ambas direcciones temporales sean iguales, como en el efecto Compton. Entonces, a diferencia del efecto Compton, deberíamos ser capaces de ver la diferencia entre:

-un fotón siendo absorbido y posteriormente emitido espontáneamente

y el proceso inverso en el tiempo:

-el fotón emitido convirtiéndose en el absorbido, y el fotón absorbido el emitido.

Por supuesto, la absorción es un proceso reversible, como abrir o cerrar una puerta (aunque se puede notar la diferencia si "reproducimos la película al revés", por lo que se puede determinar si el tiempo avanza o retrocede. ¿Podemos decir en qué dirección avanza el reloj si "observamos" un proceso de absorción-emisión (a diferencia de la dispersión de un fotón con un electrón)?

Answer 1

La absorción es una palabra utilizada de manera algo ambigua. En el caso del scattering de Compton estamos hablando de un proceso elemental, gobernado por un cierto Hamiltoniano y ecuaciones reversibles de movimiento. Por lo tanto, este proceso es reversible. Por otro lado, en el caso de una emisión/absorción por un átomo usualmente nos referimos a un cambio irreversible de un estado a otro. Si tratáramos la emisión por un átomo resolviendo exactamente la ecuación de Schrödinger para un átomo acoplado al campo electromagnético, el átomo continuaría reabsorbiendo y reemitiendo continuamente el fotón en diferentes modos del campo. En la práctica, esto no sucede por razones que usualmente no se discuten en tratamientos simples de emisión y absorción, pero introducen irreversibilidad: número infinito de modos de radiación, acoplamiento al ambiente, duración finita del experimento, etc. Ver, por ejemplo, mis publicaciones sobre lo que está oculto en la Regla Dorada de Fermi (esta respuesta y las respuestas enlazadas en ella).

Nota: El modelo de Jaynes-Cummings es un ejemplo extremo donde el átomo está acoplado a solo un modo de luz, y la reversibilidad (en forma de oscilaciones de Rabi) es evidente.

Recomendaciones de libros:

• Rodney Loudon, La teoría cuántica de la luz.
• Claude Cohen-Tannouji et al., Interacciones átomo-fotón: procesos básicos y aplicaciones.