Как ведет себя одиночный фотон, распространяясь через стекло?

Каждый фотон можно описать как волну, пока он не обнаружен. Волна действительно рассеивается на каждом атоме или электроне в стекле, откуда она рассеивается во всех направлениях. Но все рассеянные части волны когерентно складываются и в конечном итоге снова и снова формируют первоначальную волну, пока волна не выйдет из стекла. Квадрат волны представляет собой распределение вероятностей. Ниже по течению детектор может обнаруживать фотон в определенное время и в определенном месте. Но если эксперимент повторять снова и снова, время и место обнаружения фотона будут меняться. Если вы нанесете на карту все места обнаружения и время, вы получите распределение событий обнаружения, такое же, как карта интенсивности световой волны, содержащей большое количество фотонов.

Этот принцип неоднократно демонстрировался различными способами и является одной из экспериментальных основ квантовой механики. Вот забавная ссылка на демонстрацию: эксперимент Юнга с одним фотоном. Это разновидность основного двухщелевого интерферометра .

Если вы выполните поиск в Google по запросу «распространение одиночного фотона через стекло», вы найдете много обсуждений этой темы.

Фотон — это квантовомеханическая точечная частица в таблице элементарных частиц, взаимодействующая в основном электромагнитным путем.

Луч света, проходящий через стекло, представляет собой суперпозицию миллионов фотонов. Тот факт, что изображения и цвета сохраняются, означает, что отдельные фотоны могут только упруго рассеиваться всей «решеткой» стекла (решетка в кавычках, потому что стекло не организовано так же, как кристаллы).

То есть фотон взаимодействует со всем стеклом, через которое он проходит, как упругий рассеянный свет, который сохраняет фазы с другими миллионами фотонов, так что изображения могут передаваться с минимальными искажениями. Это не поглощение и переизлучение , это специфическая квантово-механическая волновая функция, которая позволяет это делать.

Однофотонный эксперимент с двумя щелями может подсказать следующее:

Рассеяние - это «одиночный фотон рассеивается двумя щелями заданной ширины на заданном расстоянии друг от друга». Слева отдельные фотоны кажутся случайными. Справа накопление строит классическую интерференционную картину света от двух щелей, т.е. распределение вероятностей фотонов дает классическую интерференционную картину.

Знакомы ли вы с концепцией квантовой механики частиц, находящихся в суперпозиции многих состояний одновременно? Когда одиночный фотон проходит через стекло, он находится в такой суперпозиции. Один фотон представляет собой целый луч света, который взаимодействует со многими атомами одновременно по мере своего распространения (согласно классической электромагнитной теории). Только при наличии «измерения» (т. е. фотон поглощается в состояние, убивающее когерентность) «коллапс волновой функции» происходит на одиночный атом. Фотон, поглощаемый одним атомом, погруженным в стекло, будет ограничивать путь, по которому фотон попадет туда. Фотон нельзя представить себе как шар, петляющий между атомами стекла, потому что тогда ему может потребоваться сколь угодно много времени, чтобы добраться до места назначения. Скорее, он должен двигаться со скоростью света (деленной на показатель преломления) от точки к точке, чтобы минимизировать время в пути. Нет; лучше вообще не думать о фотонах как о шарах. Есть только электромагнитное поле. Фотон — это просто проявление одного кванта энергии, импульса и спина, передаваемого из одного места в другое.