Нарушает ли интерференция фотонов причинно-следственную связь?

Предположим, атом водорода прыгает вниз на энергетический уровень и испускает фотон, а затем этот фотон проходит через двойную щель и поглощается одним из атомов экрана, заставляя его прыгать вверх на энергетический уровень. Разве фотон не обладает крайней неопределенностью положения и не существует в виде волны, которая распространяется во всех направлениях, пока он внезапно не коллапсирует с неопределенностью положения порядка диаметра атома и полностью не поглощается одним атомом на экране? Кажется, это нарушает причинно-следственную связь, потому что гарантируется, что экран обнаружит не более одного фотона от этого атома, поэтому обнаружение одним атомом посылает информацию другому атому быстрее, чем свет, чтобы не обнаружить его.

Одно из возможных объяснений состоит в том, что Вселенная следует теории де Бройля-Бома, и, несмотря на то, что информация может распространяться быстрее света, ее никогда нельзя отправить таким образом, чтобы создать парадокс. Это, в свою очередь, может быть связано с тем, что эти законы являются симуляцией фундаментальных законов, а именно того, что вселенная является игрой жизни Конвея, поэтому она не могла смоделировать вселенную с законами, допускающими парадокс.

Другое возможное объяснение заключается в том, что Вселенная следует другой теории, в которой уже заранее определено скрытой переменной, какой атом поглотит фотон до того, как атом действительно поглотит его. Возможно, фотон испускает классическую волну, которая остается классической волной, которая постепенно поглощается классически, а плотность вероятности того, что любой атом на экране подпрыгнет вверх на энергетический уровень в любое время, полностью определяется скоростью поглощения классической волны, поэтому скачок понижение энергетического уровня атома водорода на самом деле может привести к тому, что два атома на экране подпрыгнут на энергетический уровень вверх. Возможно, на самом деле можно заранее определить, какие атомы подскочат на энергетическом уровне, но это кажется случайным, потому что Вселенная хаотична. Если бы это было так, мы бы никогда не смогли сказать, что Вселенная не Мы не следовали общепринятой теории, потому что мы не могли сказать, какие скачки энергетического уровня атома в экране происходили от каких скачков энергетического уровня атома водорода. Тот факт, что теория согласуется с наблюдениями, не означает, что Вселенная действительно следует этой теории.

«Кажется, это нарушает причинно-следственную связь, потому что гарантируется, что экран обнаружит не более одного фотона от этого атома, поэтому обнаружение одним атомом посылает информацию другому атому быстрее, чем свет, чтобы не обнаружить его». Я на самом деле не следую вашей логике или тому, что на самом деле пытаются здесь сказать. Фотоны путешествуют со скоростью света. Единственное, что передает информацию, это фотон, поэтому информация не распространяется мгновенно.
@AaronStevens Когда каждый ил намного больше фотона, вы можете утверждать, что с фотоном можно обращаться как с частицей и он движется со скоростью света, но что насчет того, когда щель достаточно тонкая, чтобы рассматривать ее как волну. Разве фотон не имеет неопределенности в положении, намного большей, чем его длина волны, пока его волновая функция не коллапсирует и атом не поглощает его. Как только один фотон поглощает его, разве он мгновенно не схлопывает свою волновую функцию, посылая информацию быстрее, чем свет, делая другой фотон неспособным также поглотить его?
Я думаю, ваша проблема в том, что вы рассматриваете волновую функцию как физический объект. Это не так.
При такой установке один атом испускает фотон, а другой атом поглощает фотон. Все интерпретации КМ согласны с этим, а теория, которая этого не делает, просто неверна. Копенгагенская интерпретация говорит, что коллапс волновой функции влияет на всю систему нелокально, но не утверждает, что любая информация передается мгновенно .
@ Тимоти, я бы согласился с твоим первым предложением. Одиночный фотон перемещается от излучающего атома к точке на экране обнаружения, проходя по пути через ОДНУ из щелей. Щель имеет два края, и чем ближе фотон подходит к одному из них, тем больше его траектория может измениться в этом направлении. Процесс не должен быть таинственным.
@BillAlsept В случае двойной щели, разве теория де Бройля-Бома не предсказывает, что фотон движется бесконечно быстро, когда он находится в узле, чтобы перепрыгнуть через него? Когда расстояние между щелями намного больше длины волны, а толщина меньше длины волны, математика показывает, что любая прямая линия от одной из щелей до области вблизи центра интерференционной картины должна пересекать несколько узлов. Разве не только тогда, когда фотон проходит через щель, его траектория существенно меняется?
Да, траектория фотона меняется, когда он проходит через одну из щелей. Все, что вызывает изменение траектории, — это изменение или разрушение интерференционной картины и результата эксперимента.

Ответы (5)

Предположим, атом водорода прыгает вниз на энергетический уровень и испускает фотон, и этот фотон

Это моделируется решением уравнения Шредингера для атома водорода, а волновая функция ограничена существованием протона, электрона и уходящего фотона.

Одна квантовомеханическая задача с краевыми условиями.

позже

на самом деле не намного позже, рассмотрим скорость света

проходит через двойную щель

Это вторая задача квантовой механики с ее решениями и граничными значениями «рассеяние фотона двумя щелями заданной ширины и расстояния друг от друга». Это дает волновую функцию, которая описывает вероятный путь, по которому фотон пройдет к макроскопическому экрану.

Вот двойная щель по одному фотону за раз:

синглфот

Путь одного фотона приводит его к точке на экране, где видна третья квантово-механическая проблема: «фотон рассеивается на атоме на экране» и теряет энергию, ионизированный атом выглядит как точка из-за рассеяния полученной энергии.

Три некогерентных эксперимента с квантово-механическим вероятностным распределением.

Накопление фотонов одной энергии и граничных условий несет в себе информацию второго эксперимента, построение распределения вероятностей, которое показывает волновую природу фотона, не как разбросанной повсюду энергии, а волны вероятности .

Третий эксперимент, обнаружение путем ионизации из-за потери энергии атома, взаимодействующего с фотоном, постоянно используется в пузырьковых камерах и других детекторах частиц для отслеживания макроскопических следов элементарных частиц.

Разве фотон не имеет крайне неопределенного положения и не существует в виде волны, которая распространяется во всех направлениях?

Нет, это следует за распределением вероятностей, предсказанным решением конкретных граничных условий (три независимых установки).

пока он внезапно не схлопнется, чтобы иметь неопределенность в положении около диаметра атома, и не будет полностью поглощен одним атомом на экране.

Этот коллапс сбивает вас с толку. Только на третьей фазе взаимодействие определенного фотона с атомом высвобождает его энергию в пределах нескольких атомов. Конечно, как только происходит взаимодействие, волновая функция становится недействительной. То же самое справедливо и для второго эксперимента: когда фотоны рассеиваются в двух щелях, исходная волновая функция фотонов водорода становится недействительной.

Ничто не происходит быстрее света. Последовательные взаимодействия бессвязны, но уж точно не быстрее света, и это предложение запутано:

Кажется, это нарушает причинно-следственную связь, потому что гарантируется, что экран обнаружит не более одного фотона от этого атома, поэтому обнаружение одним атомом посылает информацию другому атому быстрее, чем свет, чтобы не обнаружить его.

В квантовой механике ничего не гарантируется, кроме сохранения энергии, импульса и квантовых чисел, где это уместно. Все остальное регулируется вероятностными квантово-механическими функциями.

Вы думаете, что волновая функция, о которой говорят, вообще физически не существует? Думаете ли вы, что существуют скрытые переменные, где будет поглощен фотон, уже предопределено, и мы просто говорим о волне вероятности, потому что мы не знаем заранее, где он будет поглощен? Возможно, одна из теорий состоит в том, что волновая функция физически существует и существует одна и только одна система отсчета, в которой функция мгновенно схлопывается. Другая теория состоит в том, что волна непрерывна, как классическая волна, и энергия может вызвать скачок энергетического уровня атома в
экран или нет, и это очень случайно. Возможно, это кажется случайным из-за хаотической природы атомов на экране. Кажется, что мы можем объективно определить состояние электромагнитного поля в любой точке пространства-времени и что распространение электромагнитной волны лучше объяснить как нечто, смоделированное квантовой механикой в ​​соответствии с классической физикой. А если воду нагреть в микроволновке? Мне кажется, лучшее объяснение состоит в том, что электромагнитная волна генерирует напряжение, которое, в свою очередь, нагревает воду за счет электрического сопротивления. Как вы объясните это, используя
волна вероятности для отдельных фотонов?
@ Тимоти Как вы думаете, в классической механике ее математика реальна? Все эти параболы снарядов? Это всего лишь математические инструменты, позволяющие предсказать, куда приземлится снаряд. Квантово-механическая модель интуитивно не проста для понимания, но логика та же.
Фотоны микроволновой энергии поднимают молекулы воды в пище на более высокие энергетические уровни, и молекулы расслабляются с помощью инфракрасных фотонов, которые нагревают пищу, поскольку они поглощаются уровнями энергии молекул/решетки.
Я понимаю что ты имеешь в виду. Однако также возможно, что фотонов вообще не существует. У нас нет доказательств их существования. Я видел вопрос или ответ ResearchGate, в котором говорилось, что интерференция наблюдалась в шариках из каучука, но шарики из каучука также наблюдались под микроскопом. Я знаю, что материальные волны бакиболлов нельзя рассматривать как классические волны. С другой стороны, электромагнитная волна может. Я думаю, что, возможно, в некоторых ситуациях классическая механика очень точно моделируется квантовой механикой, а в других ситуациях, таких как мешающие бакиболлы, классическая механика не очень близка.
симулируется вообще.
Кроме того, только потому, что что-то является одним из возможных объяснений того, что мы наблюдаем, не обязательно означает, что это правильное объяснение.

Поздравляем, вы открыли парадокс пузыря Эйнштейна! Каждая интерпретация квантовой механики решает эту проблему по-своему, и вам решать, какая из них вам больше нравится.

Для большинства физических теорий способ выяснить, что они подразумевают в отношении того, как устроен мир, заключается в использовании уравнений движения теории. Теперь, в квантовой механике, люди используют два разных типа уравнений. Первый тип состоит из уравнений, подобных уравнению Шрёдингера, которые хорошо определены и относительно хорошо изучены. Тип отправки — это специальное правило, согласно которому каким-то образом при неких неопределенных обстоятельствах первое уравнение перестает работать. Именно второе правило вызывает все затруднения в этом случае и во многих других. Итак, около 60 лет назад Хью Эверетт предложил отказаться от второго правила.

Если следовать предложению Эверетта, то фотон распространяется исключительно локально. Есть несколько разных версий фотона в разных местах. Одна версия фотона взаимодействует с атомом, другая — с экраном и так далее. В любом конкретном месте, когда поступает информация о взаимодействиях фотонов, разные версии информации взаимодействуют друг с другом, и версии, где фотон поглощается атомом, объединяются в пары с версиями экрана, которые не поглощали фотон.

Итак, теория, объясняющая причинные взаимодействия фотона, — это квантовая теория. Никаких бомовских частиц не требуется. Видеть

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0107144

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0403094

Вы задаете два вопроса.

  1. Как электрон может прыгнуть мгновенно.

  2. Как другие атомы могут мгновенно узнать, что этот атом уже поглотил фотон, а остальным нечего поглощать.

Волновая функция — это распределение вероятностей положения частицы. Для фотона волновая функция даст вам описание вероятностей траектории фотона. Для электрона в поглощающем атоме волновая функция даст вам вероятностное описание того, на каком энергетическом уровне находится электрон согласно КМ.

Теперь вы говорите, что электрон в поглощающем атоме подпрыгнет на энергетический уровень вверх при поглощении фотона, а затем прыгнет вниз при испускании фотона. Но это неправильно. Согласно КМ, квантового скачка не существует. Волновая функция описывает положение электрона на определенных энергетических уровнях, и вероятность того, что электрон находится на определенном энергетическом уровне, выше, чем на других. Классически мы бы сказали, что электрон находится на этой орбите. Но в КМ электрон находится как раз на этом энергетическом уровне с высокой вероятностью и одновременно с меньшей вероятностью находится на других энергетических уровнях.

В то же время важно. Вы могли бы найти электрон и на других энергетических уровнях, просто с меньшей вероятностью. Когда электрон поглощает фотон, он не прыгает. Классически он не переходит на более высокий энергетический уровень. Что происходит, так это то, что волновая функция меняется. Он будет описывать вероятность того, что электрон найдет его на более высоком энергетическом уровне с более высокой вероятностью. А на исходном более низком уровне с меньшей вероятностью. Согласно КМ, электрон перешел на более высокий энергетический уровень. Но электрон не прыгал классически. Электрон может находиться одновременно на обоих энергетических уровнях, просто изменилась вероятность, более высокий энергетический уровень теперь имеет более высокую вероятность. Ваше замешательство связано с тем, что электрон мгновенно прыгает. Это не.

2.

Не только электрон и фотон обладают волновой функцией. Все атомы имеют один.

Волновая функция — это просто информация. Он не разрушается классически. Меняется. Это вероятностное описание. Положения частиц в этом случае описываются и им приписываются вероятности. Это может измениться мгновенно.

Когда атом поглощает фотон, фотон превращается в энергию, и фотон больше не существует. Он добавляется к энергетическому уровню электрона.

Это взаимодействие не является мгновенным. Ему нужно среднее время ЭМ-взаимодействий.

Тогда вы спрашиваете, как возможно, чтобы другие атомы знали, что им не нужно поглощать фотон. Это потому, что фотон является возбуждением электромагнитного поля. ЭМ поле существует везде в космосе. Ядра атомов (и их составляющие) и электроны являются возбуждением этих полей. Эти поля существуют повсюду в космосе. Два вида полей могут взаимодействовать (ЭМ для фотона и электрона и другие поля составляющих ядер).

Когда два поля взаимодействуют, и зазор между энергетическими уровнями атомов совместим с энергетическим уровнем фотона, он будет поглощен. Тогда фотон уже не существует, он трансформировался в энергетический уровень электрона.

Хотя фотон движется как волна, его распределение вероятностей будет описывать его положение в пространстве для разных положений одновременно. В то же время важно. Когда (в определенный момент времени) волна достигнет экрана, будет положение фотона, которое имеет наибольшую вероятность в это время. Другие положения фотона в то же время имеют меньшую вероятность в этой области. Атомы вокруг этого положения (положение фотона с наибольшей вероятностью в это время) имеют волновую функцию, которая описывает их положения и промежутки энергетических уровней. Атом, который имеет совпадающую энергетическую щель, совпадающую с энергетическим уровнем фотона, поглотит его с наибольшей вероятностью.

Взаимодействие между атомом и фотоном не является мгновенным. Требуется среднее время для электромагнитных взаимодействий. Но изменение волновой функции может быть мгновенным, и вероятностное описание уровней энергии поглощающего электрона изменилось. Фотон больше не существует. Он трансформировался в энергетический уровень электрона.

Остальные атомы не могут поглотить фотон по двум причинам.

  1. Положение фотона имеет вероятностное описание (волновая функция), и в момент времени, когда фотон попадает на экран, существует положение с наибольшей вероятностью. Только атомы вокруг этой области могут поглотить фотон. И только атомы вокруг этой области с соответствующей энергетической щелью могут поглотить фотон.

  2. Волновая функция может измениться мгновенно. Фотон после взаимодействия больше не существует. Он трансформировался в энергетический уровень электрона.

Ни одна частица или объект не может двигаться быстрее скорости света согласно СТО. Но волновая функция — это просто информация, и она описывает вероятности характеристик частиц. Эти вероятности могут измениться мгновенно (поскольку волновая функция не является физическим объектом). Но даже если это изменится мгновенно, ни одна частица или объект информации не двигается быстрее света.

Что касается причинно-следственной связи и других вопросов, траектория фотона может быть описана из точки А в точку Б. Вероятности никоим образом не способствуют пониманию того, что происходит на самом деле. Например, вероятности можно использовать для предсказания того, где шары могут приземлиться на доске Гальтона, но ничего не делают для объяснения того, что происходит физически. С другой стороны, легко объяснить, как мяч физически движется вниз. Вероятность никогда не сможет заменить причинно-следственную связь.
Однако хороший подробный ответ: «Эти вероятности могут измениться мгновенно». Но в СТО разные кадры имеют разную одновременность (такие наборы точек в пространстве-времени), поэтому такая формулировка и объяснение не совсем корректны и вводят в заблуждение.
@Martian2020 Большое спасибо, я добавил примечание о том, что волновая функция не является физическим объектом. Если вы считаете, что нужно добавить больше в качестве примечания об одновременности, дайте мне знать, и я тоже добавлю это.

Вы боретесь с центральной загадкой квантовой механики. Идея коллапса волновой функции сама по себе противоречит причинно-следственной связи в значительной степени по той причине, на которой вы остановились. Насколько мне известно, единственным решением этой головоломки является многомировая интерпретация квантовой механики: пока экран изолирован от наблюдателя, состояния атомов на экране сами по себе можно описать как волновые функции. Волновая функция входящего фотона изменяет волновые функции всех атомов экрана. Однако, как только вы заглянете внутрь изолирующего бокса достаточно глубоко, чтобы измерить волновые функции атомов экрана, ваша собственная волновая функция изменится. В многомировой интерпретации, в этот момент ваш мир (то есть ваша волновая функция) разделяется на столько независимых, невзаимодействующих частей, сколько существует возможных результатов вашего взгляда внутрь коробки.

Редактировать 10.08.18 Итог: вы правы в том, что коллапс волновой функции нарушает принцип причинности. Термин «проблема измерения» охватывает этот вопрос. В этой статье обсуждается проблема измерения, но не даются четкие пояснения. Эта статья : погружается в философские аспекты различных подходов к решению проблемы измерения, но ее трудно читать.

Разочарование от попыток придумать интуитивно удовлетворительную интерпретацию привело к подходу к квантовой механике «перестань беспокоиться об этом и просто займись математикой», который работает, но не удовлетворяет наше желание понять, что означает математика . Завершить редактирование

Каждая интерпретация КМ имеет свое собственное решение проблемы измерения. Множество миров — это просто одно из многих решений.
Нарушает ли интерференция фотонов причинно-следственную связь?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v