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?
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 .
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,
ГЛС
Джим
Эдуард