Какова пространственная протяженность одиночного фотона?

В соответствии с принципом неопределенности частицы не могут быть заданы одновременно в пространстве и импульсе в копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Если фотоны движутся со скоростью c в любой возможной системе отсчета, какова пространственная протяженность фотона? Значит ли это, что оно повсюду во всем пространстве?

Это то же самое, что существует вечно еще до того, как будет сгенерировано?

Но в интерференционном эксперименте фотоны должны находиться в одно и то же время в одном и том же положении, чтобы интерферировать.

Приношу свои извинения за мой комментарий и закрытое голосование, которое я отозвал
Возможно, ответ, основанный на соображениях QFT, был бы полезен для разговора здесь.
Подробнее о размере фотона .

Ответы (4)

Да на самом деле. Фотон с заданной энергией — это не частица в физическом пространстве, это частица в импульсном пространстве, что означает, что он имеет определенный, точный импульс точно так же, как частица в физическом пространстве имеет определенное, точное положение. Возбуждение такой частицы можно записать в виде:

е я к Икс я ю т

где к - волновой вектор и ю - угловая частота. Такой фотон имеет энергию ю и импульс к . Из осмотра видно, что пространственная протяженность такой «частицы» — это все пространство. Когда мы занимаемся квантовой теорией поля, мы обычно переходим к импульсному представлению, потому что в этом представлении поля в основном разъединяются и становятся гораздо более управляемыми с математической точки зрения.

Поскольку эти возбуждения должны существовать повсюду во Вселенной, они должны быть источником излучения в течение бесконечного периода времени. На самом деле этого не происходит, и все «фотоны» в нашей Вселенной представляют собой волновые пакеты, источником которых являются движущиеся заряды. Такой волновой пакет можно записать в виде интеграла по плотности мод:

р ^ ( к ) е я к Икс я ю т   г к

Для получения дополнительной информации посетите страницу Википедии для преобразований Фурье.

Преобразование Фурье и волновой пакет предполагают распределение k в пространстве. Означает ли это, что одиночный фотон имеет распределение энергии, а не просто одиночную энергию, скажем, 1 эВ?
Однако суперпозиция однофотонных состояний с определенным импульсом по-прежнему является однофотонным состоянием, поэтому мы должны быть осторожны и не подразумевать, что фотон должен иметь определенный импульс.

Импульс фотона рассчитывается как

п "=" час ν с
что отличается от того, как вы вычисляете импульс для частиц с массой.

Это означает, что фотон может иметь конечную пространственную протяженность, просто у него должна быть неопределенность, связанная с его частотой.

Ваша мысль о том, что фотон без неопределенности импульса должен иметь бесконечную неопределенность положения, верна. Однако можно также сказать, что фотон с бесконечной неопределенностью частоты не имеет неопределенности положения.

Но в интерференционном эксперименте фотоны должны находиться в одно и то же время в одном и том же положении, чтобы интерферировать.

Это неправильно .

Существуют эксперименты по интерференции одиночных фотонов , в которых интерференционная картина возникает при накоплении фотонов.

Фотон — это квантово-механическая сущность, описываемая волновой функцией, и вероятность обнаружения фотона при рассеянии двумя щелями имеет интерференционную картину, даже по одному фотону за раз , создает интерференционную картину световой волны, исходящей из слияние бесчисленных фотонов. Их волновые функции накладываются друг на друга, и появляются классический пучок и классическая интерференционная картина.

Анна, не могли бы вы объяснить свою позицию по этому поводу? Иногда вы поправляете других, объясняя, что волновая функция и вероятности — всего лишь инструменты для вычислений и не должны рассматриваться как физические вещи. Я согласен с этим, но что вы говорите наверху? Как бы вы физически описали рассеяние этих фотонов? Как они физически составляют эту интерференционную картину?
@BillAlsept они компенсируют это накоплением баллов из распределения вероятностей экспериментальной установки. Если вы бросите игральную кость, как получится распределение вероятностей?
Это все еще не отвечает на то, что происходит физически. Если я бросаю игральную кость несколько раз, это только делает распределения вероятностей, потому что я физически записываю данные. Точно так же полоса на экране появляется потому, что что-то происходит физически.
@BillAlsept Это квантовая механика, нужно развивать новую интуицию и работать только с вероятностями. Физическое есть измерение, взаимодействие. Обнаруженное нами промежуточное состояние не может быть проанализировано с помощью классических инструментов. Только с помощью вероятностного метода квантовой механики мы можем иметь предсказательные модели для микромира. Мы можем предсказать только вероятности
То есть, если я вижу полосу на экране, считается ли это ее измерением? Потому что это есть. Паттерн был физически вызван чем-то. Я могу легко описать, как фотоны могут физически формировать рисунок на экране. Почему исключаются только вероятности и не исключаются физические объяснения?
@BillAlsept след одного фотона - это одна точка на экране, ccd или что-то еще, что является детектором. при (x, y, z, t) плюс или минус ошибки измерения в пространстве и времени. Это физическое измерение. Картина слияния аналогична картине интерференции воды, когда вклад вносят отдельные молекулы. это происходит от отдельных фотонов. см. физику.stackexchange.com/questions /279035/…
Что, если нет двойной щели, а есть только задержка, как в интерферометре Майкельсона? Один фотон задерживается на 1 секунду по отношению ко второму. Допустим, они согласованы? Или что, если мы будем посылать фотоны по одному?
В одну секунду тотон оказывается на сотни тысяч метров дальше от предыдущего. Когерентность с фотонами означает, что фазы сложных волновых функций фиксированы между ними. Так что вероятность их проявления по отношению друг к другу не случайна, но все же вероятность.
Итак, мы можем рассчитать с вероятностью, когда одиночный фотон может столкнуться с экраном, но не предложить физического объяснения того, как он туда попадает? Есть ли какая-то причина, по которой нам не разрешено иметь физические теории или описания?
@BillAlsept модель, которая у нас есть, дает сложные волновые функции для описания процесса. Модель работает. Попытки найти классическую физику, лежащую в основе конструкций, не работают, т.е. не соответствуют данным. Есть теоретики, которые все еще пытаются, как 'т Хофт.
Я предложил описание, которое работает математически и физически. Он выведет любой узор интерференции для любого количества щелей.
Очень правильное замечание и свидетельство того, что одиночный фотон может интерферировать сам с собой, но, может быть, вы также могли бы добавить ответ на один из заданных вопросов?
Я не обязательно согласен с предпосылкой, заданной вопросами, поэтому я пытался получить разъяснения.
@BillAlsept для накопления одиночных фотонов? В противном случае достаточно уравнений Максвелла. Модель пилотной волны Бома работает и для нерелятивистской квантовой механики, но она просто более сложным образом воспроизводит вероятностные предсказания qm и не работает при релятивистских энергиях. бритва Оккама тоже работает.

В соответствии с принципом неопределенности частицы не могут быть заданы одновременно в пространстве и импульсе в копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Если что-то нельзя указать, это не значит, что оно не имеет точных значений. Фотон — это неделимая единица, движущаяся со скоростью c по геодезической траектории.

Немного сложнее, если фотон движется через электрическое или магнитное поле. Поскольку фотоны имеют осциллирующую составляющую электрического поля, а также осциллирующий магнитный дипольный момент, фотон находится под влиянием этих полей. Компоненты поля фотонов периодически меняют свой знак, и значение смены прямолинейного пути движения на извилистый для нас ничем не примечательно. Но в посторонних материалах (кальцит) это приводит к отклонению света на два пути.

Если фотоны движутся со скоростью c в любой возможной системе отсчета, какова пространственная протяженность фотона? Значит ли это, что оно повсюду во всем пространстве?

Как я уже писал выше, фотоны неделимы. Которого? Энергии. После испускания они забирают у излучающей частицы некоторое количество энергии и импульса и могут передать эти значения другой частице при поглощении.

В теории квантовой механики фотоны — это возмущения общего существующего электромагнитного поля. Это приводит к тем же трудностям в понимании, которые вы выразили в вопросе о дислокации фотонов во всем другом пространстве. Посмотрим, можно ли избежать фотона как дислокации всего бесконечного пространства.

Но в интерференционном эксперименте фотоны должны находиться в одно и то же время в одном и том же положении, чтобы интерферировать.

Последний вопрос является причиной ваших других? Как утверждает Анна В, проводятся эксперименты с одиночными фотонами, и после пропускания фотонов один за другим через двойную щель на экране наблюдателя (электронного прибора или простой фотопластинки) появляется хорошо известное распределение интенсивности. Следует подчеркнуть, что результат некоторого распределения интенсивности получается как для одиночных щелей, так и для одиночных ребер!

Как я сказал выше, материал двойных полос способен разделить световой луч на два луча, и это происходит с фотонами, составляющими электрическое и магнитное поля. Но во взаимодействии, как говорится в выражении, всегда участвуют два игрока. Вторым игроком в нашем случае являются поверхностные электроны вовлеченного препятствия. Таким образом, распределение интенсивности за краями является результатом общего и квантованного поля между фотонами и поверхностными электронами края (краев). Эта точка зрения разрешает многие трудности.

Для вопроса в заголовке о размере фотона см. Как размер магнитного поля зависит от длины волны фотона? .

Спасибо. Мой вопрос в том, какова пространственная протяженность фотона. Это происходит от того, если лазер испускает один фотон, какова его длительность импульса?
Анонимный Я прочитал ваш вопрос после того, как ответил на этот. Но я не уверен, что смогу ответить на этот вопрос из-за неправильного неясного предположения о лазере и однофотонном излучении. Нужно больше информации :-)