Эксперимент с двойной щелью. Какой эффект на самом деле вызывает детектор?

Когда квант света достигает двойной щели, он проходит через обе щели в виде волны и достигает второго экрана с интерференционной картиной одиночной волны, которая была разделена на две волны, которые затем интерферировали друг с другом.

Это неправильно. Фотоны прилетают по одному целыми, а не разделенными в пространстве. В любом случае в квантовой механике колеблется вероятность обнаружения частицы, а не сама частица.

Вот эксперимент с двумя щелями, отображающий один фотон (квант света) за раз, и что происходит, когда накапливается много фотонов.

Однофотонная камера записывает фотоны из двойной щели, освещенной очень слабым лазерным светом. Слева направо: один кадр, наложение 200, 1000 и 500000 кадров.

На крайнем левом кадре видны следы отдельных фотонов. Фотоны не оставляют сигнал повсюду, они попадают в определенное (x, y) на расстоянии z, согласно вероятности решения для установки «рассеивание фотонов двумя щелями с определенной шириной и расстоянием». Эта вероятность определяется$Ψ*Ψ$конкретной волновой функции, и она выглядит случайной в первом кадре слева.

Накопление фотонов показывает классическую интерференционную картину, что на квантовом уровне означает распределение вероятностей$Ψ*Ψ$.

Детектор после того, как одна из щелей перехватит фотон, изменяет граничные условия на другую систему и, следовательно, на другую$Ψ*Ψ$. Это уже не та экспериментальная установка. Должно быть очевидно, что если детектирующий прибор после щели поглощает фотон, как это делает экран, то только нетронутая щель будет давать сигнал на дальнем экране, который не мог бы мешать сам себе. (Сложный эксперимент с электронами, который пытается минимально показывая эффект, пришел к выводу, что детектирующий уровень действует как точечный источник проходящих через него электронов, т.е.$Ψ*Ψ$для электрона, который больше не является когерентным, чтобы показать интерференционную картину.)

Следовательно, можно ли предположить, что обнаружение «вызвало» коллапс волновой части дуальности?

Обнаружение на экране выбрало («свернуло») экземпляр (x, y, z) исходной волновой функции и удалило этот фотон с конечного экрана. В общем после обнаружения "какой щели" фотоны находятся в другой волновой функции с новыми граничными условиями.

Как именно обнаружение повлияло на двойственность? Кто-нибудь может прояснить?

На двойственность не влияет обнаружение, математическая модель, описывающая вероятности,$Ψ*Ψ$, имеет другой Ψ, потому что граничные условия изменились, и когерентность, необходимая для отображения интерференции, потеряна (когерентность в фазах, описывающих фотоны в пространстве-времени). Опять же, термин дуальность волновых частиц имеет отношение к математике квантово-механических вероятностей. Вероятность представляет собой волну, (решение квантово-механической системы) частица проявляется как точка в (x,y,z,t) при взаимодействии в измерении, при скоплении многих частиц с одинаковыми граничными условиями, вероятность распределение строится. (Это то же самое, что бросание игральной кости. Распределение вероятностей по числам 1-6 видно при накоплении многих бросков).

Несколько недель назад мне нужно было написать статью о том, почему интерференционные картины исчезают, когда вы помещаете детектор, чтобы определить, через какую щель проходит фотон. Это дало мне довольно хорошее представление о том, что происходит, и ответило на некоторые из тех вопросов, которые я задавал себе на самом деле. Поскольку эта статья была на французском языке, я постараюсь обобщить то, что я понял, на английском языке.

Если мы рассмотрим пучок света, направленный на 2 щели, а по другую сторону щелей — экран, установленный на 2 осцилляторах (это наш детектор), вот так:

Во-первых, давайте считать, что экран заявлен. Вы не делаете никаких измерений, поэтому то, что вы видите, представляет собой простую интерференционную картину с различимыми лучами, и без демонстрации (это заняло бы слишком много времени) мы имеем:

Это явление свойственно волнам.

Во-вторых, мы делаем измерения, что означает, что экран теперь может колебаться и информировать нас об импульсе фотона (px):

Итак, чтобы узнать, из какой щели вышел фотон, мы должны знать, соответствует ли он p1x или p2x:

И я уверен, что вы слышали о принципе неопределенности Хайзенберга, который дает нам следующее неравенство:

Мы замечаем, что дельта X имеет тот же порядок величины, что и расстояние между двумя лучами! Это означает, что мы больше не можем отчетливо видеть интерференционную картину! Зная, что интерференционная картина свойственна волнам, мы можем сказать, что свет больше не обладает свойством волны и ведет себя как частица!

Это называется принципом дополнительности: мы не можем видеть, что свет одновременно ведет себя как волна и как частица.

Я надеюсь, что это помогло, не стесняйтесь, если у вас есть какие-либо вопросы :-)

«Детектор после того, как одна из щелей перехватывает фотон, меняет граничные условия на другую систему и, следовательно, на другое Ψ∗Ψ. Это уже не та же экспериментальная установка».

Анна: Кажется, вы предполагаете, что детектор будет взаимодействовать с фотоном в классическом смысле, поскольку он «перехватывает» фотон. Можете ли вы уточнить, какие экспериментальные условия были изменены при обнаружении. Когда вы говорите о «граничных условиях», что вы имеете в виду? Насколько я понимаю, детектор не взаимодействует с квантом каким-либо материальным образом, который мог бы повлиять на его поведение.

Следовательно, могу ли я предположить, что «граничные условия», о которых вы говорите, лежат вне экспериментальной конструкции и сами по себе являются гипотетическими?

Когда квант света достигает двойной щели, он проходит через обе щели в виде волны и достигает второго экрана с интерференционной картиной одиночной волны, которая была разделена на две волны, которые затем интерферировали друг с другом.

Что вы могли бы наблюдать и что вы должны интерпретировать?

Что вы могли наблюдать

Вы можете наблюдать, как фотон, проходящий через двойную щель, попадает как фотон на экран наблюдателя (например, на ПЗС-чип). Повторяя эту настройку некоторое время, вы можете заметить, что удары имеют более широкое распределение интенсивности, чем двойная щель, и увеличение между почти полным отсутствием ударов и некоторыми максимальными ударами (из Википедии ):

Но вы любопытны и удаляете одну из щелей, а позже заменяете щель острым краем. Во всех случаях можно было наблюдать распределение интенсивности (полосы) за препятствием:

Что вы должны интерпретировать?

Янг пришел к выводу, что луч света, проходящий через две щели, работает как интерференция водяных волн (из Википедии ):

Это упрощенная интерпретация, потому что любая интерференция водяных волн создает движущуюся интерференционную картину, чего нельзя сказать о картине интенсивности света или даже электронов.

Кроме того, за кромкой волны на воде изгибаются, но не имеют интерференционной картины.

Влияние краев

Если даже для одиночных фотонов через какое-то время происходит распределение интенсивности, то не следует ли задаться вопросом о влиянии краев? На краях поверхности сосредоточены электроны, взаимодействуют ли они с фотонами?

Если детектор помещается в одну из щелей и двойственность обнаруживается в любой из двух щелей, обнаруженная двойственность переходит ко второму экрану и достигает его в виде фотона/частицы, «вышедших» из своей электромагнитной волны.

Если детектор поместить в одну щель, частица может быть обнаружена примерно в 50% случаев. Поддерживает ли это точку зрения Юнга о волновой природе света или поддерживает точку зрения, согласно которой фотоны остаются квантами под влиянием краев?