Каковы размеры, ширина и длина фотона?

Все всегда говорят о длине волны фотона. Но как насчет его размеров? Какая у него длина и ширина? И есть ли вообще смысл думать о таких вещах? Или эти размеры не существуют в таких случаях?

по теме: физика.stackexchange.com/q/103904/ 58382
ну, длина волны легко считается его длиной. Но нет ни ширины, ни глубины. Какова ширина или глубина волны в океане? Какова ширина звука? Фотон — это волна, которая иногда может вести себя так, как мы обычно приписываем частицам, но, тем не менее, является волной. Нет необходимости в том, чтобы у него был какой-либо объем
Хотя были аргументы (включая некоторые из принятых ответов) против этого, описание фотона как волны обычно (т. е. «классически»), по-видимому, использует форму, размер и скорость частицы в терминах вероятности того, что она будет обнаружена в определенных точках на той части ее траектории в пространстве-времени, которую представляет контур волны,

Ответы (3)

Фундаментальные частицы, которые мы знаем сегодня (одной из которых является фотон), называются фундаментальными именно потому, что они не имеют подструктуры или даже пространственной протяженности, о которой мы знаем. При локализации они точечные .

Обратите внимание, что эти «частицы» являются квантовыми объектами, а не классическими частицами, поэтому не следует представлять их как точки, летящие в пространстве — они обладают делокализованными состояниями, в которых вообще не принимают определенной формы (например, «электронное облако» вокруг атомов). является таким делокализованным состоянием).


Выше приведен краткий нерелятивистский взгляд на «частицы». Когда мы переходим к релятивистскому описанию, которое действительно необходимо для полного описания фундаментальных частиц, все становится гораздо более туманным. Во-первых, мы теряем наивные операторы положения, и понятие «локализация» становится немного нечетким, потому что новый «оператор положения», операторы Ньютона-Вигнера, не позволяют говорить о локализации независимым от наблюдателя способом. . Обычное состояние частицы, которое рассеяно в расчетах КТП, обычно представляет собой состояние с резким импульсом и, следовательно, сильно делокализовано, поэтому любое понятие «точечного» не может на самом деле основываться на локализации состояния частицы.

В этой картине правильное понятие «точечной» частицы — это та, чье поведение рассеяния не указывает на субструктуру или пространственную протяженность. Для протяженных объектов, состоящих из подобъектов, их поведение при рассеянии обычно меняется, когда масштабы энергии/длины процесса рассеяния достигают своего размера, потому что тогда их внутренние компоненты разрешаются, и отдельные подобъекты начинают участвовать в рассеянии. Таким образом, наше представление о размере сводится к тому, что поведение рассеяния не зависит от масштаба. Подробнее об этом понятии размера в QFT см., например, этот ответ Bosoneando .

Означает ли это, что фотон бесконечно широк и длинен, потому что плотность вероятности его нахождения асимптотически стремится к нулю? Как в том хорошо известном примере электрона в конечной потенциальной яме?
@ user46147: Хотя вероятность может вести себя так, как вы говорите, вы не должны отождествлять протяженность волновой функции с размером объекта. С точки зрения квантовой механики совершенно неясно, что следует понимать под «длиной» или «шириной» квантового объекта.
@ACuriousMind: что ты говоришь?! А как насчет длины когерентности ? Это наш практический порядок величины линейного размера волнового пакета.
@Sofia: Хотя длина когерентности является важным понятием, мне кажется, что она дает масштаб, в котором мы видим квантовое поведение объекта, а не размер объекта.
Я думаю, что может сбивать с толку признание длины волны фотона и одновременное утверждение, что у него нет «ширины». Математически фотон (или электрон, если на то пошло) как строительный блок в КЭД можно рассматривать как точечный и без какой-либо длины волны, но фотоны реального мира представляют собой более сложные квантовые состояния с «шириной» и длиной волны. Я думаю, вы подразумеваете это во втором абзаце. Другими словами, реальный фотон с заданной длиной волны также, вероятно, имеет пространственную протяженность по аналогичному определению. К сожалению, «фотон» используется для обоих определений.
Я думаю аналогия будет полезна. Рассмотрим двухатомную молекулу: хотя ее характерный размер, т.е. среднее расстояние между атомами, порядка ангстрема, мы можем замедлить ее так, чтобы длина волны ее центра масс составляла десятки нанометров. Или мы можем ускорить его, чтобы его длина волны была порядка пикометров. Но размер останется практически прежним. Так что не надо путать длину волны объекта в целом, т.е. его центра масс для массивной частицы и размер этого объекта — они совершенно независимы.
Вам не кажется немного несправедливым отождествлять фотон с «точкой», в которой вы его измеряете детектором? Как вы вообще это определяете, учитывая, что любой измерительный прибор (тот, который реализует проективное измерение) просто коллапсирует «нелокализованный фотон» посредством взаимодействия с макроскопической системой? Не кажется ли вам, что гораздо разумнее отождествить «фотон» с его состоянием перед измерением его положения, так что его «размеры» могут быть любыми, которые вы хотите, от полностью делокализованного во Вселенной в соответствии с CBR, до ограниченного волновой пакет размером с лабораторию?
@user46147 user46147 Если вам нужно изобразить или представить себе один фотон, лучше вообще не думать о длине волны или волнах. Помимо полярности, самым важным в фотоне, движущемся со скоростью света, является его частота или количество колебаний в секунду. Здесь, на Physics Exchange, вы найдете противоречивые ответы на этот вопрос, поскольку некоторые люди не верят, что фотоны существуют как отдельные вещи. Что касается вашего фактического вопроса, я не думаю, что эксперимент был разработан для проверки минимальной или максимальной ширины фотона.
@glS Да, я не уверен, что хочу идентифицировать фотон с точкой на экране. Наилучшее формальное понятие «точечного», вероятно, заключается в том, что эксперимент по рассеянию не разрешает субструктуру, т. е. не существует длины/энергии, при которой поведение рассеяния изменилось бы из-за разрешения внутренней структуры.
На самом деле неправда, что электроны являются точечными частицами, когда они локализованы. Нормализованные решения уравнения Дирака не более чем локализованы в объеме порядка комптоновской длины. Это связано с тем, что оператор положения, который вы «должны» использовать, является оператором Ньютона-Вигнера. Это также объясняет, как минимальная связь в уравнении Дирака может дать энергию магнитного диполя и спин-орбитальное взаимодействие. См. Ньютон и Вигнер (кажется, 1947 г.), Фолди и Ваутхуйзен (1950 г.) и Фолди (1952 г.). С другой стороны, собственные состояния Ньютона-Вигнера не остаются локализованными при усилении, но реальный урок
то есть релятивистская КМ на самом деле не «хороша», если вы не занимаетесь теорией поля, и любые интерпретации частиц всегда будут, по крайней мере, несколько проблематичными. (Я имею в виду, что экспериментально картина частиц работает очень хорошо, значит, в ней что-то есть. Преобразование Фолди-Ваутхуйсена объясняет, как именно.) Это для электронов; для фотонов аналога оператора Ньютона-Вигнера не существует, поэтому нет простого способа говорить о размере фотона. См. Часто задаваемые вопросы Арнольда Ноймайера.
@RobinEkman Я думаю, что не собирался, чтобы этот ответ был о релятивистском понятии размера, что, возможно, было ошибкой. Я добавил обсуждение «размера» и локализации в QFT.

Лично я предпочитаю экспериментальное определение размера фотона. Если вы пропускаете свет через апертуру, вы начинаете видеть эффекты интерференции, когда апертура приближается к длине волны фотона, как будто вы отсекаете края. Почему мы должны сделать это более сложным, чем это?

Если бы фотон был точечным, то плотность энергии была бы бесконечной, что кажется нереальным.

Он должен быть локализован в пространстве, поскольку фотоны можно обнаружить с другого конца Вселенной. Если бы фотоны распространялись, то плотность их энергии на этих расстояниях стремилась бы к нулю.

Экспериментально можно показать, что фотон не является точечным. Эксперимент Юнга с щелями включает интерференцию фотона с самим собой (фотон ведет себя в некотором смысле как частица, в некотором смысле как волна и в некотором смысле как распределение вероятностей. На самом деле это удобные модели, которые мы применяем к нему — на самом деле это не что иное - это фотон). Интерференционные картины, показанные в эксперименте Юнга с щелью, сохраняются, даже если поток фотонов уменьшается до такой степени, что фотоны проходят по одному за раз. Разность длин двух путей может варьироваться для определения длины когерентности. Я считаю, что это оказывается порядка 1м. Еще одно экспериментальное доказательство того, что фотон должен иметь значительную длину, состоит в том, что разброс его частоты минимален. если он уменьшился до 0 амплитуды более (например,