Каковы экспериментальные доказательства квантованного электромагнитного поля?

На мой взгляд, основным экспериментальным эталоном, который действительно требует объяснения квантованного электромагнитного поля, является, как косвенно упоминается в вопросе, эффект Хонга-У-Манделя .

Волнообразная природа фотонов, показанная в эффекте Хонга-У-Манделя, довольно тонкая, но позвольте мне начать с утверждения, которое звучит спорно, но на самом деле таковым не является:

Интерференционные эффекты, такие как двухщелевая интерференция, не отражают квантово-волновую природу фотонов.

Это несколько усиливается, если смотреть с точки зрения квантовой оптики, но важно помнить, что фотоны не являются «частицами»: на самом деле они представляют собой дискретные возбуждения классических мод электромагнитного поля. (Тогда вы можете пройти полный круг и утверждать, что все частицы, от электронов до атомов в БЭК, также являются возбуждениями в поле материи, но это отдельный аргумент.)

Таким образом, вы действительно начинаете говорить о фотонах так, как это имеет квантово-механический смысл, только когда вы говорите о подсчете статистики для данного состояния света. Эти статистические данные в некотором смысле «находятся» на классических модах, в которых они обитают, и любые интерференционные особенности, которые демонстрируют эти моды (например, полосы с двойной щелью или дифракционные кольца), на самом деле не являются «фотонными помехами». сами по себе", они являются просто геометрическими характеристиками возбуждаемой моды.

Причина, по которой я не рассматриваю эти интерференционные особенности как нерепрезентативные для «истинной» квантовой волны фотонов, заключается в том, что есть еще один слой интересной интерференции, и это происходит, когда вы сами заставляете эти возбуждения интерферировать друг с другом как конструктивным, так и деструктивным образом. Это то, что делает эксперимент Хонга-У-Манделя: он объединяет амплитуды вероятности различных комбинаций возможных возбуждений, чтобы исключить некоторые из них,

^{Источник изображения}

таким образом, что свет, выходящий из светоделителя, имеет распределение энергии в среднем 50:50, но это происходит только в виде объединенных пар фотонов на каждом плече и никогда в виде совпадающих фотонов на обоих плечах (результат амплитуда вероятности которого исчезла из-за деструктивной интерференции). Просто не существует полуклассической модели, которая могла бы объяснить это.

Теперь, как отметил OON, вы также можете получить экспериментальные наблюдения статистики фотонов, которые не объясняются ни одной полуклассической моделью более простыми конфигурациями субпуассоновского света, но для меня провал Манделя гораздо более поразителен, гораздо более четко распознаваем. , и не намного более поздние исторически говоря.

Кроме того, я хотел бы обратиться к некоторым комментариям в ответе Анны В. Весь свет квантовый; мы знаем это, потому что неоднократно пытались найти пробелы в квантовой механике, включая ее трактовку света, и не нашли ни одной. Свет часто «выглядит» классическим, но это только потому, что квантовая механика в ее классическом пределе выглядит как классическая механика.

Тем не менее, по-прежнему существует большая ценность экспериментов, которые все еще можно объяснить тем, что классическое электромагнитное поле (например, замена когерентных состояний только классическими состояниями, возможно, с некоторым дробовым шумом) взаимодействует с квантованным веществом, и это включает в себя вещи из атомные спектры поглощения и испускания на фотоэлектрический эффект, а также точечный отклик пленки в экспериментах с двумя щелями (чьи интерференционные особенности, опять же, являются просто классическими оптическими свойствами моды, на которой движутся фотоны).

Учитывая то, что мы знаем о принципиально квантовой природе электромагнитного поля (из таких экспериментов, как провалы Хонга-У-Манделя), мы знаем, что эти полуклассические описания являются просто эффективными моделями, которые не полностью описывают основные аспекты природы, но они именно те эксперименты, которые невозможно описать без квантованных полей, действительно заставляют нас принять эту точку зрения. Уберите их, и утверждение, что «электромагнитное поле квантуется», станет просто мнением без существенной экспериментальной поддержки.

Самый прямой пример, который я знаю: вы можете просто измерить количество фотонов, находящихся в полости («световой короб»), отправив атом через нее и измерив изменение его фазы.

Это было сделано и опубликовано в 2007 году Глейзесом и др.: https://www.nature.com/articles/nature05589.

Эффект Хонга -Оу-Манделя, упомянутый Максом Тайлером в комментариях, — еще один отличный пример.

Полуклассическая модель действительно хорошо работает во многих случаях. Вы можете посмотреть на матрицу плотности квантового поля, например, в представлении Глаубера-Сударшана,

Но не всегда. Есть государства, для которых$P(\alpha)$может стать отрицательным в некоторых областях фазового пространства, а также существуют состояния, для которых$P(\alpha)$становится более своеобразным, чем$\delta$-функция. Такие состояния не могут быть описаны полуклассическим подходом и поэтому известны как неклассический свет .

Учебным примером неклассического света является свет, обладающий субпуассоновской фотонной статистикой , т.е.$\langle (\Delta n)^2\rangle<\langle n\rangle$. Отсюда следует, что корреляционная функция интенсивности второго порядка$g^{(2)}(0)<1$(тогда как полуклассическая трактовка предполагает$g^{(2)}(0)\geq 1$). Это приводит к эффекту, известному как антигруппировка фотонов , который впервые наблюдали в 1977 году Кимбл, Мандель и Дагенайс.

Конечно, это прямое измерение различных корреляций интенсивностей — весьма изысканный способ «открыть» квантовую природу света. Сильно неклассические состояния возникают во взаимодействиях частиц все время, и никакая полуклассическая трактовка не сможет описать их так, как это делает КЭД.

Классическое электромагнитное поле возникает из огромного количества фотонов, и это можно доказать математически.

Экспериментально простейшей демонстрацией является появление двухщелевой интерференционной картины по одному фотону за раз :

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

Можно увидеть, как отдельный фотон оставляет след, который выглядит случайным, но это не так, поскольку фазы фотонных волновых функций в суперпозиции создают классическую интерференцию. Эту последовательность используют, чтобы подчеркнуть квантовомеханическую, вероятностную волновую природу волновой функции фотона.

Эта закономерность объясняется как КЭД, так и классическим электромагнетизмом.

Да, уравнения Максвелла для света очень полезны, и нет необходимости переходить на лежащий в их основе квантовый уровень, потому что математика непротиворечива. Только для спектров поглощения и излучения совершенно необходимо существование фотонов и, конечно, фотоэлектрического излучения и излучения абсолютно черного тела.

Что касается полуклассических утверждений, «полу» указывает на феноменологическую подгонку, которая подходит для подгонки данных, но не является аргументом против лежащего в основе квантования.

Эффект Хонг Оу Манделя: на случай, если кто-то попытается понять эффект Хонг Оу Манделя в очень простых терминах, как и я, вот очень хорошая презентация: https://www.mpq.mpg.de/5020845/0508b_two- photon_interference.pdf

Например, относительный фазовый сдвиг$\pi$происходит на нижней стороне из-за разницы показателей преломления. Как только вы это узнаете (я не знал :-), становится очевидным (без всякой математики), почему два решения компенсируют друг друга. (Извините, я пока не могу комментировать, иначе я бы добавил комментарий к ответу Хун Оу Манделя)