Тот же фотон или другой фотон?

Это вопрос определения «того же самого» .

Классически "одинаковое" состояние частиц можно определить по наклеенным на них меткам. Свет классически представляет собой волну, и она нуждается в новом определении . Мы применяем повседневное определение, отождествляя световой луч с источником. Свет, исходящий от Солнца, — это тот же самый свет, который приходит на Землю. Свет, отраженный от Луны, — это тот же самый свет. Свет свечи, падающий на зеркало, — это тот же самый свет. Можно маркировать свет только от его источника, имхо.

Квантово-механический свет — это явление, возникающее в результате слияния фотонов, а фотоны — это элементарные частицы. Квантово-механические расчеты оказались очень успешными при описании экспериментов с элементарными частицами и широко используются в космологических моделях. Самый простой базовый расчет - это рассеяние частицы на другой частице, а рассеяние фотона электроном можно представить как:

Эта диаграмма используется для расчета вероятности возникновения взаимодействия, что представляет собой математическое моделирование на квантовом уровне. Это основной термин при расчете поперечного сечения фотона, сталкивающегося с электроном при энергиях ниже рождения частицы.

Теперь возникает вопрос : «Это один и тот же фотон входит и выходит из диаграммы рассеяния» . Положение такое же, как и при рассмотрении световых лучей, которые также не могут быть помечены. Источник — фотон на электроне, выход — фотон и электрон. Можно определить существование фотона из источника и назвать его «то же самое» .

Когда подходишь к описанному тобой аппарату, электронная линия выходит за пределы оболочки, взаимодействие с полями решеток она проходит, но логика та же. Разброс может быть упругим или неупругим, и для каждого случая существует своя вероятность. Через линзу высока вероятность упругого рассеяния в направлении, определяемом макроскопическим оптическим лучом.

Таким образом, если бы я проводил эксперимент и получил попадание фотона на ПЗС и имел бы источник фотонов, я бы идентифицировал его как то же самое из источника. Конечно, не все попадания ПЗС исходят от источника света, так как есть космическое и окружающее излучение, но это будет уровень шума эксперимента.

Ваш вопрос основан на предположении, что фотон — это фундаментальный объект, т. е. что фотоны — это то, на что мы можем указать и сказать: вот фотон 1, вот фотон 2 и так далее. Проблема в том, что частицы в квантовой теории поля — довольно неуловимые объекты. Это особенно верно для таких частиц, как фотоны, которые сами по себе являются античастицами, потому что такие частицы могут свободно создаваться и уничтожаться. По крайней мере, фермионы, как и электроны, защищены законом сохранения лептонного числа.

В целом энергия, распространяющаяся в квантовом поле, выглядит как частица только тогда, когда энергия передается в поле или из него, т. е. когда создается или уничтожается фотон. Вне этих событий трудно указать на что-либо похожее на фотон.

Поэтому я не думаю, что на ваш вопрос есть ответ, потому что бессмысленно говорить об одном фотоне, за исключением случаев, когда происходит какое-то взаимодействие.

Фотоны — это бозоны, поэтому они следуют статистике Бозе-Эйнштейна, которая верна только в том случае, если частицы действительно неразличимы. Если вы можете различить два фотона, то это будет следовать классической статистике Больцмана, чего не происходит в экспериментах. Это означает, что фотоны с одинаковыми свойствами одинаковы.

Даже в вашей ситуации с фотоном от источника к месту назначения нет способов определить, является ли фотон исходным фотоном. Одна возможность состоит в том, что флуктуации вакуума создают пару фотонов, и один из них попадает в детектор. «Первоначальный фотон» другой улетит. Также возможно, что один из них аннигилирует со «старым фотоном», а «новый фотон» теперь притворяется «старым фотоном».

Мы различаем фотоны по их свойствам. Как говорится, вы можете фактически наделить фотон различными свойствами, чтобы сделать их отличными от других, такими как длина волны, поляризация и угловой момент. Фотоны с разными свойствами действительно разные, поэтому их можно различить, и статистика будет разной. Они могут взаимодействовать с материей, такой как линза, в которой она многократно поглощается и переизлучается. Пока свойства не меняются, вы никак не можете сказать, отличается ли он от «исходного» фотона, потому что такой вопрос некорректен.

Особым свойством является запутанность между фотонами, которая обеспечивает довольно хороший способ определить, является ли фотон «оригинальным». На самом деле вы можете определить, является ли фотон, прибывший к детектору, таким же, как исходный, статистически (проверив запутанность), потому что это требует когерентности всех промежуточных процессов. Так можно отделить случай с детектором щелчка фотона от флуктуации вакуума.

Фундаментальный вопрос заключается в том, что если два объекта действительно одинаковы по определению (в любом случае, действительно любые, нет физического способа отличить их друг от друга), являются ли они неразличимыми? И ответ — да, вы не можете различить их по физическому закону.

Заимствуя концепцию «черного ящика» из техники, мы имеем фотон, «входящий» в ящик, и фотон, выходящий из ящика.
Мы делаем «изображение» входящего фотона (его амплитуда и длина волны), и мы делаем «изображение» исходящего фотона (его амплитуда и длина волны), и мы сравниваем «картинки». Если «картинки» равны, то можно сказать, что это один и тот же фотон.. Имейте в виду, что внутри «черного ящика» у нас может быть просто оптоволоконный кабель, или у нас может быть пара детектор-передатчик, или какое-то другое фотоэлектрическое устройство. Поскольку мы не знаем, что находится внутри черного ящика, все, что мы можем сделать, — это сравнить характеристики входных и выходных фотонов, чтобы определить, равны они (или нет). Если они равны, то мы вправе заключить, что выходной фотон — это тот же самый фотон , который вошел, но только задержанный.