Являются ли фотоны детерминированными?

Мы можем удовлетворить ваше требование «фотон был испущен под правильным углом», если «фотон был подготовлен в собственном импульсном состоянии». Если фотон имеет определенный импульс$\bf{k}$, то его направление движения точно определено, как вы указали. Фотон — это дискретное возбуждение «моды», т. е. решение уравнений Максвелла. Для фотона в собственном импульсном состоянии эта мода будет плоской волной (у нее также будет вектор поляризации).

Теперь, если я правильно понял, вы также хотите иметь возможность сказать, что для такого фотона, обнаружив его в каком-то месте, вы могли бы сразу сказать, где он был произведен - точка его излучения должна была бы быть где-то вдоль прочерченной линии. от его точки обнаружения в направлении его импульса. Теперь проблема с "его точкой выброса". Поскольку мы указали, что фотон был приготовлен в собственном импульсном состоянии, у него не было определенной точки испускания — его точка испускания была полностью неопределенной из-за принципа неопределенности Гейзенберга. (Есть также родственная проблема, а именно то, что фотоны даже не допускают операторов положения, но эта тонкость не нужна для нашего обсуждения).

Вы можете возразить, что мы наверняка знаем (приблизительно) место испускания фотона, происходящего из атомного перехода — оно должно быть в месте нахождения атома (которое будет известно с некоторой степенью точности). Это верно, но атомные переходы не возбуждают фотоны в состояниях плоской волны, поэтому импульс (в частности, направление) фотонов, возбужденных этими переходами, неизвестен - они не являются собственными состояниями импульса плоской волны.

В примере с лазером луч действительно распространяется приблизительно по классическим прямым, но вы не можете проследить активность отдельного фотона в таком состоянии. Действительно, в когерентном состоянии количество присутствующих фотонов даже не определено.

Давайте проясним проблему.

Фотон является квантовомеханическим объектом и подчиняется законам квантовой механики. Всегда существует вероятность, связанная с любым возможным путем, по которому он может пойти, поэтому строгий ответ - «нет, путь фотона не детерминирован».

НО проблема меняется, когда речь идет о большом ансамбле фотонов, то есть о любом свете, который мы можем видеть. Они очень хорошо описываются классической электродинамикой детерминированным образом. Существует плавный переход между фотонной квантово-механической структурой и классической теорией Максвелла, хотя для его понимания требуется много знаний в области физики.

Вот почему лазеры работают так хорошо , они испускают огромное количество фотонов, коррелированных и синфазных, и могут практически действовать как световые лучи классической оптики.

Тогда можно было бы сказать, что если известен угол звезды, путь луча полностью определен, НО здесь мы сталкиваемся с общей теорией относительности, чтобы прояснить, что означает определенность. В общей теории относительности объекты с нулевой массой следуют геодезическим , поэтому в проблему входят не только углы, но и массивные тела, прежде чем можно будет установить детерминизм.

Это не совсем точно. В противном случае двухщелевой эксперимент не мог бы работать. Если бы каждый фотон имел единственное направление при испускании, он не смог бы пройти через обе щели и интерферировать сам с собой; ему придется пройти через ту щель, к которой он изначально был направлен.

Не забывайте, что фотон — это не только частица, но и волна. Таким образом, он распространяется вбок (поперечно) и, следовательно, движется к месту назначения более чем одним путем, что можно проверить с помощью диска Эйри в телескопе и других эффектов дифракции*. Точная точка приземления является вероятностной, что противоречит детерминизму, даже если вы выбираете конкретную начальную точку и конкретную конечную точку.

* Более того, если верить идеям Фейнмана, фотон путешествовал во всем пространстве и времени.