Das Doppelspaltexperiment - Methoden zur Beobachtung einzelner Photonen vor dem Auftreffen auf das Ziel

Es ist einfacher, hier auf das Problem einzugehen, indem man massive Dinge wie Neutronen oder Atome als die Entitäten verwendet, die durch die Schlitze gehen und auf den Bildschirm treffen. Es ist nicht so selbstverständlich, dass die Beobachtung der Position eines Atoms die Bewegung des Atoms garantiert ausreichend stört, um das Interferenzmuster auszuwaschen. Natürlich sagt die Quantenmechanik, dass dies geschehen muss, und damit ist die Quantenmechanik konsistent.

Man kann die Position eines vorbeifliegenden Atoms messen, indem man beispielsweise Licht von ihm reflektiert und das Licht detektiert. Dies wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet.

Wenn man Photonen als Entitäten verwenden würde, die durch die Schlitze gehen und Interferenz zeigen, wie in der gestellten Frage, dann möchte man den Ort eines Photons mit ausreichender Genauigkeit bestimmen, ohne das Photon zu absorbieren. Im Prinzip kann man das tun, indem man das Photon an einem sehr leichten Spiegel (in einem präzisen Bewegungszustand präpariert) reflektieren lässt und den Rückstoß des Spiegels beobachtet. In der Praxis ist dies zu schwierig. Stattdessen wurden Photonen in der Nähe des einen oder anderen Schlitzes durch ein anderes Verfahren nachgewiesen. Dazu wurde ein optischer Resonator verwendet, um die Wechselwirkung des Photons mit einem einzelnen Atom, das sich in dem Resonator befindet, zu verstärken. Das Photon fliegt hindurch und das Atom ändert seinen Zustand.

Bei dem berühmten Doppelspaltexperiment mit Photonen gibt es einige Konfigurationen:

Konfiguration A - 2 Schlitze und 1 Sieb:

Nach dem Senden von jeweils 1 Photon am Doppelspalt trifft das Photon scheinbar zufällig auf den Bildschirm, aber mit der Zeit baut sich ein Interferenzmuster auf. Aber jedes Photon ging für sich allein durch, also gibt es keine anderen Photonen, mit denen es interferieren könnte. Das bedeutet, dass das Photon gewissermaßen gleichzeitig beide Schlitze passieren und mit sich selbst interferieren muss .

Konfiguration B - 2 Schlitze, 2 Photonendetektoren, 1 hinter jedem Schlitz:

In diesem Setup gibt es keinen Bildschirm, und wenn es einen gäbe, würde er von den Detektoren blockiert werden. Sie senden jeweils 1 Photon, aber diesmal registriert einer der Detektoren genau 1 Photon und der andere registriert 0. Das bedeutet, dass das Photon jeweils nur einen Spalt passieren muss . Wenn es beide durchlaufen würde, wie wir es von Experiment A erwarten, würden beide Detektoren etwas erkennen.

Das Mysterium:

Warum gibt es einen Unterschied zwischen den Konfigurationen A und B? Der einzige Unterschied besteht darin, dass wir in B erkennen könnten, durch welchen Schlitz das Photon gegangen ist. Es ist, als wüsste das Photon, dass es beobachtet wird, was unheimlich ist.

Um das Hauptanliegen Ihrer Frage anzusprechen, messen wir einzelne Photonen nicht berührungslos. In letzter Zeit wurden einige Fortschritte gemacht, um dies zu tun (z. B. hier und hier ), aber im Allgemeinen ist es äußerst schwierig/kaum möglich. Es ist nicht notwendig, das Photon zu detektieren und es zum Bildschirm weiterlaufen zu lassen, wir detektieren einfach das Photon.

Sie schrieben,

Was mich wundert, ist, mit welchem ​​praktischen Gerät zu versuchen, auf nicht-intrusive Weise zu messen, durch welchen Schlitz das Photon wandert. Warum ist es so ein Rätsel, dass diese Beobachtung das Beugungsmuster stört? Sicherlich wird jede Messung, die wir vornehmen, das Experiment verderben.

Sie haben den Kern der Sache auf den Punkt gebracht: Es ist nicht möglich, ohne Eingriff zu messen, durch welchen Schlitz das Photon wandert. Alle Messverfahren, die ein Photon detektieren, absorbieren das Photon entweder oder verändern es auf irgendeine Weise.

Einzelphotonen-Interferometrie-Experimente sind notwendigerweise statistischer Natur: Das Ergebnis wird erhalten, indem die Ergebnisse vieler Einzelphotonen-Erfassungsereignisse zusammengestellt werden.

Eine gute Ressource, um ein Verständnis dafür aufzubauen, ist der Wikipedia-Eintrag zu Wheelers Delayed-Choice-Experiment . Ein weiterer ist der Wikipedia-Eintrag zu Delayed Choice Quantum Eraser .

Es ist kein Weg bekannt, Photonen im Flug zu erkennen.

Sie können ein Photon nur nachweisen, wenn es absorbiert wird. Und dann nicht immer.

Theoretisch könnten Sie ein Photon erkennen, wenn es emittiert wird, durch die Wirkung auf die Quelle, die es emittiert. Das ist normalerweise nicht möglich, normalerweise sagt man, dass Photonen emittiert wurden, indem man einige von ihnen absorbiert.

Hier ist eine Frage: Sind Photonen real oder sind sie ein Artefakt der Entdeckung?

Was ist, wenn Licht Wellen sind und sich genau wie Wellen durch den Raum bewegen, aber wenn es mit Molekülen interagiert (die quantisiert sind, kann es nicht mit 1,72 Molekülen interagieren), dann ist das Ergebnis quantisiert, weil die Moleküle quantisiert sind?

Was wäre, wenn Moleküle immer eine Quantenmenge an Strahlung absorbieren und alles zurücklassen, was sie nicht absorbieren? Was wäre, wenn sie eine Quantenmenge an Strahlung aussenden und nicht mehr? (Tun sie.)

Dann wäre Licht eine Welle, und alles, was wir als Photonen sehen, würde aufgrund unserer begrenzten Nachweismethoden passieren.

Ist das wahr? Ich weiß nicht. Ich kann mir kein Experiment vorstellen, um es zu testen.

In der Praxis verwenden wir die Theorie, die am bequemsten ist. Für die geometrische Optik nehmen wir an, dass Licht Strahlen sind, die sich in geraden Linien ausbreiten. Das ist am bequemsten.

Um zu sehen, wohin Licht tatsächlich geht, wenn Beugung eine Rolle spielt, verwenden wir die Wellentheorie. Denn das ist am bequemsten.

Wenn wir uns ansehen wollen, wie Licht mit Molekülen interagiert, verwenden wir QED, das uns Teilchen liefert, die sich genau wie Wellen bewegen, weil das am einfachsten in den Rest der modernen Theorie passt. Licht als Wellen oder als moderne Quanten funktionieren beide perfekt mit den Daten, und wir verwenden die Version, die am bequemsten ist. Licht als gerade Strahlen funktioniert manchmal nicht so gut. Aber manchmal ist es am einfachsten und am einfachsten zu bedienen.

Wenn zwei Photonen gleichzeitig erkannt werden, handelt es sich möglicherweise um dieselbe Welle, die zweimal erkannt wird? Sie drehen also Ihren Emitter herunter, bis er etwa ein Photon pro Sekunde emittiert. Sie setzen einen Detektor hinter jeden von zwei Schlitzen. Und Sie betrachten es als doppelte Erkennung, wenn zwei Photonen innerhalb einer Nanosekunde voneinander erkannt werden, was (sagen wir) die Grenze Ihrer Fähigkeit ist, die Photonenerkennung zeitlich zu bestimmen. Dann können Sie davon ausgehen, dass versehentlich zwei Photonen gleichzeitig erkannt werden, da Sie ungefähr zur gleichen Zeit zwei Photonen erzeugt haben, etwa einmal in 10 ^ 9 Sekunden, vorausgesetzt, dass Photonen zufällig erzeugt werden.

Nehmen Sie andererseits an, dass Sie Ihren Sender heruntergedreht haben, bis die Wellenintensität im Durchschnitt ein zufälliges Erkennungsereignis pro Sekunde erzeugt. Es könnte jederzeit entdeckt werden, aber die Welle ist so schwach, dass sie selten sind. Dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass die Welle zu zwei Erkennungen gleichzeitig führt, etwa einmal in 10^9 Sekunden.

Aber stellen Sie sich vor, Sie könnten jedes Mal erkennen, wenn Ihre Quelle ein Photon aussendet, das in die richtige Richtung geht. Sie erhalten niemals ein falsches Positiv, wenn kein Photon emittiert wurde, aber eines erkannt wurde. Möglicherweise stellen Sie fest, dass die meisten Photonen nicht erkannt werden. Vielleicht erhalten Sie nie zwei Erkennungen, wenn nur ein Photon emittiert wurde. Oder vielleicht erhalten Sie manchmal zwei Erkennungen, wenn nur ein Photon emittiert wurde.

Das wäre ein tolles Experiment! Wenn Sie zwei Erkennungen erhalten, zeigt dies, dass das Photon durch beide Schlitze wandert (oder dass die Welle dies natürlich getan hat). Wenn Sie das nie bekommen, wandert jedes Photon nur durch einen Schlitz und die Tatsache, dass es durch den anderen hätte gehen können eine statt Knospe tat es nicht, irgendwie beeinflusst. Das wäre seltsam und spannend.