Если мы посмотрим на свет как на набор маленьких частиц, мы можем сказать, что более тусклый свет имеет более рассеянные фотоны.
Но если смотреть на свет как на волну, то пробелов нет, если только они специально туда не помещены.
Так как же можно интерпретировать образование промежутков между фотонами?
Решение, как оно есть, лежит в представлениях о волновой функции частицы и вероятностном характере измерения.
Каждый фотон можно рассматривать как обладающий волновой функцией, которая распространяется наружу от источника света. По мере того, как эта волновая функция расширяется, ее амплитуда уменьшается, как и у классической волны.
Однако законы квантовой механики гласят, что эта волновая функция определяет вероятность обнаружения фотона в любом конкретном месте. В частности, вероятность измерения частицы вблизи любой точки пропорциональна квадрату величины волновой функции в этой точке. Это означает, что у нас гораздо меньше шансов обнаружить фотон в пределах, скажем, 1 мм от точки в 100 световых годах от источника, чем в пределах 1 мм от точки в 1 световом году от источника. Однако статистически, если мы обнаружим большое количество фотонов, испускаемых источником одинаковым образом, они будут равномерно распределены по сфере. Таким образом, количество световой энергии равномерно распределяется по сфере, как и следовало ожидать в классическом понимании.
Фотон обычно имеет определимую (хотя и не измеримую) пространственную протяженность. См., например, Single Photon Hologram , в которой описывается способ измерения пространственной (и временной) протяженности — при условии, что у нас есть доступ к большому количеству идентичных фотонов. Поскольку скорость света одинакова для всех частот/длин волн, фотон, распространяющийся в вакууме, не может распространяться в направлении своего распространения. Однако он определенно распространяется в направлениях, перпендикулярных направлению его распространения. Чтобы знать, могут ли фотоны от источника сначала перекрываться, но на некотором расстоянии больше не перекрываться, необходимо знать детали источника и его размер.
Примечание. В данном контексте «перекрытие» является нечетким понятием. Если бы контурную поверхность можно было нарисовать вокруг фотона так, чтобы поверхность заключала в себе объем, содержащий, скажем, 99,99% вероятности присутствия фотона, то мы могли бы, например, согласиться сделать вид, что часть волновой функции вне объема не существует. и согласитесь, что в некоторых случаях фотоны не будут перекрываться. Однако волновая функция свободного фотона имеет по крайней мере крайне малое, но конечное значение везде, поэтому в абсолютном смысле все фотоны от источника будут перекрываться (хотя, скорее всего, ни один эксперимент не сможет это доказать).
Когда интенсивность света ослабевает, становится очевидным статистический характер света. Классические поля описывают среднюю интенсивность, но при низкой интенсивности вы все чаще будете видеть флуктуации интенсивности относительно этого среднего значения. Это явление называется фотонным дробовым шумом . Если, например, ваш детектор обнаруживает интенсивность, соответствующую 10 000 фотонов, во время интегрирования, то интенсивность будет соответствовать распределению Гаусса со стандартным отклонением 100 или 1%. При еще меньших числах фотонов применяется статистика Пуассона. Это верно для некогерентного источника, такого как упомянутая вами звезда или классическая лампочка. Можно сказать, что между отдельными обнаружениями фотонов есть промежутки, которые отображают случайную вариацию длины.
пользователь4552
пользователь4552