Откуда мы знаем, что фотоны имеют спин 1?

Как ни странно, солнцезащитные очки с поляризацией обеспечивают достаточно надежное доказательство того, что фотоны имеют спин 1.

Это потому, что если вы повернете поляризаторы только на 90$^\circ$, вы обнаружите, что можете разбить фотоны на две взаимоисключающие группы фотонов. Это геометрически возможно, только если рассматриваемая частица является векторным бозоном, то есть частицей со спином 1.

Напротив, если бы вы вместо этого беспокоились об «электронном блике» от встречного излучения электронов со спином 1/2 (пожалуйста, не пытайтесь повторить это дома, да?), вместо этого вам пришлось бы повернуть свои «электронные поляризаторы» на 180°.$^\circ$наблюдать и полностью изолировать две различные электронные популяции. Оба этих угла детектора поляризации -- 180$^\circ$для частиц со спином 1/2 и 90$^\circ$для частиц со спином 1 — глубоко связаны с лежащими в основе симметриями спинов частиц и, таким образом, однозначно определяют спины этих частиц.

Однако я должен также отметить, что существует глубокая странность в том, как действуют такие состояния поляризации фотонов. Вы можете назвать это проблемой «отсутствующего состояния».

Напротив, атомы серебра также имеют спин 1 и удобно имеют магнитные моменты, которые позволяют «легко» разделить. Например, используя три последовательных устройства Штерна-Герлаха, вы в принципе можете разделить популяцию атомов серебра на шесть (да, я сказал шесть, а не на три) популяции, которые геометрически соответствуют атомам с осями вращения, ориентированными вдоль$\pm$ИКС,$\pm$Y, и$\pm$Z. Для отдельного атома серебра мучительно осторожное использование того же самого устройства может в принципе создать пространственно изолированные части волновой функции атома серебра. Однако, когда это будет сделано, вы получите не более трех из шести используемых «держателей», по одному на каждой оси. Например, вы можете получить 71% волновой функции атома серебра в держателе Штерна-Герлаха +X, 55% в -Y и 45% в +Z. (Это векторная сумма, поэтому эти проценты складываются как компоненты вектора.)

Но где сопоставимый эксперимент для фотонов? Конечно, вы можете разбить их по горизонтальной и вертикальной (или X и Y) поляризациям. Но поскольку вы не можете остановиться в направлении их распространения, как вы можете справиться с этим аспектом процесса разделения?

(Хм, странная мысль: на самом деле, в настоящее время есть несколько лабораторий, которые могут полностью остановить фотоны с помощью специально настроенных бозе-конденсатов атомов металлов. интересно, проблема «скрытого фотона»? Может ли это быть связано с некоторыми экспериментами, упомянутыми в ответах?)

(Вторая странная мысль: только фотоны в вакууме движутся со скоростью$c$. Не следует вращать 1 фотон, путешествуя через преломляющую среду со скоростью менее$c$таким образом, есть какая-то явная, доступная версия векторных состояний вдоль их осей распространения? В конце концов, такое замедление можно рассматривать (может быть?) как смесь$c$и «остановленные» состояния фотонов, причем последние предположительно показывают явные состояния оси распространения.)

Наконец, по крайней мере по сравнению с атомами со спином 1, фотоны также не очень хорошо ведут себя в отношении выражения сингулярного направления оси вращения. Например, одна ось X Штерна-Герлаха делит атомы серебра на три группы: +X, -X и «другие» (то есть нулевой спин X). Более поздние устройства Штерна-Герлаха могут далее подразделять «другую» группу на оставшиеся.$\pm$Y и$\pm$Z популяции.

Но для фотонов вы получаете только одну группу оси X, помеченную как «горизонтальная поляризация». Куда в этом случае указывает ось вращения? Это не так. Уникальный$\pm$X-группы, которые легко увидеть в атомах серебра, на самом деле не имеют аналогов с фотонами, по крайней мере, насколько мне известно. Может быть, у кого-то еще есть идеи?

Итак, мои извинения за все «дополнительные дополнения», но первоначальная мысль остается неизменной: несмотря на странность во многих отношениях, фотоны легко и доказуемо выдают свою природу со спином 1, поскольку они могут быть разбиты на две уникальные и изолированные популяции с помощью 90$^\circ$вращение детектора фотонов (поляризатора). Кроме того, спины фотонов становятся довольно странными и далеко не такими простыми.

Один метод основан на сохранении углового момента.

Электронный переход должен следовать правилу выбора$\Delta l=\pm 1$. Итак, первое, что нужно сделать, это выбрать атом с нулевым полным угловым моментом, затем позволить атому поглотить фотон и совершить переход в$l=1$государство.

Во- вторых, мы используем эксперимент Штерна-Герлаха для определения магнитного момента этого атома, который$m=0,\pm 1$в нашем случае. Повторяя эксперименты со случайными фотонами, мы должны увидеть, что на экране в основном три ярких пятна: (1) неотклоненные, (2) вверх и (3) вниз. Расстояние от внешнего пятна до центра также можно рассчитать теоретически. Убедитесь, что период полураспада возбужденного состояния достаточно велик для эксперимента.

Таким образом вы можете доказать, что фотон имеет спин = 1. (Это то, что я думал, никаких ссылок на реальный эксперимент.)

В книге Ричарда Бета « Механическое обнаружение и измерение углового момента света » яркий свет от ртутной дуговой лампы был поляризован по кругу и проходил через полуволновую пластину (которая меняет направление круговой поляризации), прикрепленную к торсионному маятнику . Немного умной экспериментальной конструкции дважды посылал свет через полуволновую пластину, чтобы каждый фотон обменивался угловым моментом.$4\hbar$с волокном. Бет подтвердил это предсказание, а также показал, что оно согласуется с угловым моментом, хранящимся в полях классического электромагнетизма.

Спин фотона является текущим теоретическим исследованием. Для классического электромагнитного поля полный угловой момент равен$\vec{J}=\vec{r}\times <\vec{E}\times \vec{B}>$(все векторы). В теории поля эта величина равна$\vec{J}=\vec{L}+\vec{S}$, он калибровочно инвариантен и его можно наблюдать. Но! Никто не нашел правильного способа представить его в виде суммы двух калибровочно-инвариантных операторов для углового орбитального момента и спина (L и S). На этом теоретические знания заканчиваются - оператор спина фотона неизвестен.

Можно измерить Z-составляющую углового момента - спиральность.

Если вы думаете о вращении фотона как о МАГНИТНОЙ величине, то вы определенно не правы (и не ошибаетесь). Эксперимента с двумя щелями для фотонов нет :) К сожалению.

Вы можете прочитать дальше здесь: http://arxiv.org/abs/arXiv:1006.3876

Откровенно говоря, фотон не так прост, как пытаются представить. Чтобы взломать его природу, потребуются дополнительные усилия.

Спасибо, что подумали.

Я бы сказал, что это эмпирический факт. В атомной физике вы не наблюдаете оптических переходов (например, индуцированных лазером) без передачи углового момента. Изменение углового момента всегда$\pm$1, это то, что может передать фотон. См. http://en.wikipedia.org/wiki/Selection_rule . Атомные состояния с разными угловыми моментами идентифицируются по их разным энергетическим уровням из-за эффекта Зеемана в магнитном поле.

Возможно, не совсем строгий, но простой для понимания вывод:

Можно показать, что величина углового момента классического излучения с круговой поляризацией частоты$\omega$и энергия$E$дан кем-то$E/\omega$. Если мы теперь предположим, что излучение квантуется в виде пакетов энергии$E = \hbar \omega$, приходим к выводу, что угловой момент света квантуется пакетами$\hbar$.