Что излучает атом: волновой пакет или одиночный фотон?

Возбужденный атом излучает волновой пакет , то есть колебательный узор ЭМ поля, эффективно локализованный в пространстве и времени. Оно, конечно, не излучает ни строго монохроматической плоской волны (бесконечной в пространстве и времени), ни точечного объекта (точечное распределение поля включает фурье-компоненты сколь угодно большой энергии). Можно даже говорить о «форме» этого волнового пакета: обычно он имеет острый фронт и экспоненциально затухающий хвост.

Отдельный вопрос, что такое фотон? Я думаю, универсального ответа нет; то, что мы называем «фотоном», зависит от ситуации.

Когда мы квантуем электромагнитное поле, «фотон» означает возбуждение электромагнитного поля с фиксированной энергией и импульсом. (Чтобы быть более точным, мы вводим регулирующую функцию, которая затухает на бесконечности, но затем мы рассматриваем все в пределе, когда регулирующая функция стремится к тождественной единице. Таким образом, для всех целей мы все еще можем думать о монохроматическом возбуждении). Но когда мы обсуждаем нормальные моды электромагнитного поля с нетривиальными граничными условиями, например, в резонаторе внутри лазера, фотоны, хотя и монохроматические, уже не являются пространственно бесконечными плоскими волнами.

Когда мы говорим об излучении и поглощении квантов света, которое всегда происходит в более или менее локализованных волновых пакетах, мы обычно называем эти волновые пакеты фотонами. В некоторых случаях, например в астрофизике, можно даже говорить о времени испускания фотона (хотя это не мгновенный акт!).

Все эти тонкие различия становятся еще более тонкими при обсуждении осцилляции нейтрино. Было и остается много путаницы, которая возникает из-за необоснованных предположений о том, как возникает и регистрируется нейтрино (волновые пакеты против плоских волн, момент и положение испускания нейтрино и т. д.). К счастью, электромагнитные поля не смешиваются (по крайней мере, в вакууме).

Когда под «излучать» вы подразумеваете излучение, испускаемое из возбужденного состояния атома, распадающегося в основное состояние, тогда у вас есть один фотон, но его частота заранее неизвестна из-за спектрального уширения перехода.