Действительно ли спонтанное излучение излучается в случайном направлении или оно измеряется в случайном направлении?

Когда возбужденное состояние соединяется с вакуумом, оно имеет бесконечное число направлений квантованного электромагнитного поля, с которыми можно соединиться. Развивается ли он в суперпозицию всех этих направлений одновременно и коллапсирует только после измерения фотона, или он соединяется только с одним? (Или, конечно, нет экспериментального способа сказать?)

Тесно связано: en.wikipedia.org/wiki/Mott_problem
Я думаю, что на этот вопрос хорошо ответили здесь: physics.stackexchange.com/a/441563/101770 . Не уверен, что это квалифицируется как дубликат из-за разницы во времени. Также: Крутые вещи @tparker!

Ответы (2)

На поляризацию и направление спонтанно испускаемого излучения влияют два основных фактора:

  • Модовая структура поля
  • Свойства перехода (т. е. свойства двух уровней, между которыми происходит переход).

Модовая структура поля
Вопрос наводит на мысль, что излучение происходит в вакууме, но на практике это не обязательно так — уж точно не в созданных человеком лазерах и мазерах, где излучение происходит внутри резонатора/резонатора. (Квантование поля в резонаторе подразумевает расширение в резонаторных модах, а не в плоских волнах, которые можно рассматривать как частный случай резонатора.) Эти резонаторные моды могут иметь (и имеют) предпочтительные направления распространения и поляризация.

Свойства перехода.
Они известны как правила отбора : например, если дипольный момент между двумя состояниями поляризован в г -направление, это направление поляризации излучаемых волн (на практике это может быть суперпозиция волн с суммарным моментом, поляризованным вдоль г -направление). Точно так же направление распространения излучаемой волны зависит от импульса, переданного этой волне при излучении — последний факт является довольно тонким моментом, так как этот импульс мал и во многих рассуждениях опускается (длина волны велика по сравнению с размером молекулы/атома), но на самом деле оно не равно нулю.

Замечание. Конечно, если излучение вызвано присутствием другого фотона, второй импульс будет идентичен первому, но в этом случае речь идет о вынужденном , а не спонтанном излучении.

Обновление
Хотя приведенное выше технически отвечает на поставленный вопрос (направление фотона), оно не касается предпосылки вопроса; на самом деле, хотя направление излучения не является совершенно произвольным, существует еще много режимов, в которых может оказаться фотон.

Общий процесс эмиссии может быть описан гамильтонианом, подобным Джейнсу-Каммингсу.

ЧАС "=" ℏ ю а 2 о г + ∑ к ℏ ю к а к † а к + ∑ к ( λ к о + а к + λ к * а † о − ) , о г "=" | е ⟩ ⟨ е | − | г ⟩ ⟨ г | , о + "=" | е ⟩ ⟨ г | , о − "=" | г ⟩ ⟨ е |
(где к включает все квантовые числа моды). Мы начинаем с атома в возбужденном состоянии и без фотонов. | ψ ( 0 ) ⟩ "=" | е , 0 ⟩ и следим за унитарной эволюцией этого состояния благодаря гамильтониану. По истечении времени т это становится
| ψ ( т ) ⟩ "=" с е | е , 0 ⟩ + ∑ к с к | г , 1 к ⟩ ,
что является суперпозицией состояний во всех доступных фотонных модах!

Эта волновая функция является обычной суперпозицией в квантовой механике, т. е. система коллапсирует в определенное состояние только тогда, когда мы его измеряем. Стоит также отметить, что измерение в этом контексте буквально не подразумевает человека-наблюдателя, а скорее взаимодействие с остальным миром, который здесь можно трактовать как макроскопический объект (т. е. наблюдатель ) .

Более того, есть тонкий момент с взятием предела при бесконечном числе режимов. Если число мод конечно, то мы в конце концов увидим (через долгое время) оживление волновой функции, т. е. возврат атома в возбужденное состояние. Бесконечное число мод означает, что этого никогда не происходит — излучаемый фотон остается «распределенным» по бесконечному числу мод, пока он не будет локализован в определенном состоянии посредством взаимодействия с наблюдателем/ванной.

На это действительно нет ответа. Если ваши начальные условия сферически симметричны, то система останется сферически симметричной, и излучаемый свет будет находиться в суперпозиции всех направлений. Суперпозиция рухнет, а симметрия будет нарушена только тогда, когда что-то взаимодействует с вашей системой, например, ПЗС-детектор.

С другой стороны, если излучение было вызвано входящим фотоном, то ваша система не является сферически симметричной, и исходящий фотон будет излучаться в том же направлении, что и входящий.

Таким образом, то, как ваша система будет развиваться со временем, зависит от того, как вы ее настроите с самого начала. Ваш вопрос подразумевает, что вы думаете о сферически-симметричном начальном состоянии, и в этом случае да, излучение будет в суперпозиции всех направлений.

«если излучение было вызвано входящим фотоном, то ваша система не является сферически симметричной, и исходящий фотон будет излучаться в том же направлении, что и входящий» — это верно для ансамбля атомов, когерентно возбуждаемых тот же импульс, но он ложный для одного излучателя. Атомы слишком малы, чтобы видеть направление луча (они видят только однородное поле в пределах дипольного приближения), поэтому возбужденное состояние сферически симметрично (по модулю таких вещей, как дипольная диаграмма в излучении, вдоль направления поляризации атома) . возбуждающий луч.
Ансамбли атомов могут излучать направленно, потому что они действуют как фазированная решетка. Но каждый микроскопический излучатель может излучать как вперед, так и назад.
@EmilioPisanty Возбужденное состояние сферически симметрично, если рассматривать излучение классически. Однако в квантовой картине амплитуда вероятности излучения в моде пропорциональна квадратному корню из числа фотонов в моде согласно бозонному соотношению. а к , ν † | н к , ν ⟩ "=" н к , ν + 1 | н к , ν + 1 ⟩ .
Действительно ли спонтанное излучение излучается в случайном направлении или оно измеряется в случайном направлении?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v