Experimentieren Sie, um festzustellen, ob ein Photon in eine Richtung emittiert wird

Ich bin derzeit verwirrt über einen Aspekt der Vorstellung von Photonen in Bezug auf ihre Eigenschaft, lokalisiert zu sein und eine Richtung zu haben (im Gegensatz zum klassischen EM-Bild einer Kugelwelle). Ich habe mir ein Gedankenexperiment ausgedacht, das meine Idee veranschaulicht.

Ein geladenes Teilchen befindet sich am Ursprung des Laborrahmens, und es gibt einen Mechanismus, der eine Bewegung der Ladung induzieren kann (z. B. ein externes E-Feld auf das Teilchen erzeugen oder vielleicht ein Gravitationsfeld verändern, das es beschleunigt eine bestimmte Richtung).

In einem bestimmten Abstand vom Partikel wird ein Bündel von Fotodetektoren gleichmäßig kreisförmig um den Ursprung herum platziert, sodass sie anfänglich alle den gleichen Abstand zum Partikel haben. Wir können davon ausgehen, dass das Teilchen im Laborsystem eine Geschwindigkeit von Null hat, so dass die Detektoren in Bezug auf das Trägheitsbezugssystem des Teilchens bewegungslos sind.

Plötzlich induzieren die Experimentatoren mit einer der oben beschriebenen Methoden eine Beschleunigung auf das Teilchen. Im klassischen EM-Bild erzeugt das beschleunigte Teilchen elektromagnetische Strahlung, die sich in alle Richtungen ausbreitet. Nach einiger Zeit messen alle Detektoren eine bestimmte EM-Feldstärke, und dies sollte für alle gleichzeitig geschehen, da sich die Welle in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet. Die Intensitätsverteilung wird nicht gleichmäßig sein, da die Strahlung nicht kugelsymmetrisch ist (sie würde den Liénard-Wiechert-Gleichungen folgen), aber es wird definitiv Intensitäten ungleich Null in den meisten Detektoren geben.

Wenn wir uns nun das Quantenbild ansehen, scheinen wir uns die Situation so vorzustellen, als ob ein beschleunigtes Teilchen ein Photon aussendet. Das Photon wird dann einen bestimmten Impuls und eine bestimmte Energie haben, und dies sollte (vorausgesetzt, mein Verständnis ist richtig) bedeuten, dass es nur einen Detektor erreicht. Daher sollten wir eine Intensitätsverteilung beobachten, bei der ein Detektor eine große gemessene Intensität hat und alle anderen Detektoren eine gemessene Intensität von Null haben.

Man kann vielleicht argumentieren, dass das Teilchen viel mehr als ein Photon erzeugt und dass die Richtungen statistisch so verteilt sind, dass das klassische Intensitätsmuster mit der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonenrichtungen übereinstimmt. Aber in diesem Fall sollte es immer noch möglich sein, die beiden Situationen experimentell zu unterscheiden, indem Korrelationen zwischen Detektionszeiten für verschiedene Detektoren gemessen werden. Vermutlich wird ein Strom diskreter Photonen einzelne Detektionsereignisse erzeugen, die durch bestimmte Zeitintervalle voneinander getrennt sind, sodass es möglich sein sollte, zu bestimmen, ob die Intensitäten gleichzeitig über alle Detektoren gemessen werden, wie es klassisch vorhergesagt würde, oder ob sich die Intensitäten im Laufe der Zeit durch diskrete akkumulieren Veranstaltungen.

Ist dies eine genaue Beschreibung dessen, was die Quantenmechanik vorhersagen würde?

Wurde ein solches Experiment in der Praxis durchgeführt und entsprechen die Beobachtungen dieser Vorhersage?

Wussten Sie, dass Experimente mit einzelnen Photonen durchgeführt werden? siehe sps.ch/en/articles/progresses/…
Was mir bekannt war, waren Experimente mit einzelnen Photonen, die von Lasern erzeugt wurden. Ich wollte nicht danach fragen, weil ich annehme, dass die Situation etwas anders ist, da die Laser dafür ausgelegt sind, Strahlung in einem sehr schmalen Strahl zu emittieren, sodass die Frage der Omnidirektionalität nicht wirklich angesprochen würde. Durch die Verwendung eines geladenen Teilchens, das "geschüttelt" wird, stellen wir sicher, dass der "Strahl" (klassisch) omnidirektional ist. Aber wenn Sie glauben, dass die beiden Situationen gleichwertig sind, wäre ich an einer Antwort interessiert, die dies erklärt.
Ich nehme an, dass man das auch mit Lasern machen könnte, wenn man die Gaußsche Feldstärkenverteilung in Bezug auf den Abstand von der optischen Achse berücksichtigt. Vielleicht funktionieren sie also grundsätzlich auf die gleiche Weise. Die Frage wäre dann die gleiche, außer dass die Detektoren in ausreichend kleinen Abständen auf einem Empfangsschirm platziert würden, so dass die Strahlbreite des Lasers viel größer als die Detektorgröße ist.
Wie auch immer, einige Zeit nachdem ich die Frage gestellt hatte, wurde mir klar, dass es zwei gleichwertige Möglichkeiten geben könnte, an dasselbe Phänomen zu denken, das nicht von diesem Experiment allein zu unterscheiden wäre (eine Möglichkeit besteht darin, das Feld in Photonen zu quantisieren, und die andere ist indem das Feld klassisch modelliert wird, aber zufällige Anregungen in den Detektoren selbst angenommen werden, mit einer Rate proportional zur Feldintensität). Der zweite Weg scheint sich auf die halbklassischen Erklärungen für Dinge wie den photoelektrischen Effekt zu beziehen.
Ich denke, so oder so, wie Sie Ihr Experiment durchführen, werden Sie auf die probabilistische Natur der Wechselwirkung stoßen, wenn Sie mehr als einen Detektor haben. Photonen sind wirklich quantisiert und wurden, wie Anna feststellt, auf einer einzigen Basis experimentiert. Sie können in jede Richtung strahlen, aber nur eine auswählen!

Antworten (1)

Gute Frage, im Radio bewegen sich Elektronen in Antennen, vorausgesetzt, wir könnten nur ein Elektron bewegen (aber in Wirklichkeit gibt es Rauschen), als ein Elektron in einer Empfangsantenne die Beschleunigung durch etwas namens virtuelle Photonen wahrnehmen würde. Es gibt kein echtes Photon, bis die Energie auf das empfangende Elektron in der anderen Antenne übertragen wird. Mit nur einem Elektron und sagen wir zehn Detektoren würden alle zehn durch virtuelle Photonen erfassen, aber nur eine Antenne würde empfangen, und es würde auf der Wahrscheinlichkeit basieren. Es gibt keine Möglichkeit zu sehen, dass die 10 Antennen das einzelne Elektron erfassen. Wenn Sie den Strom auf beispielsweise 10 Elektronen erhöhen, erhalten Sie immer noch einige Antennen, die null und andere mehrere empfangen, basierend auf der Wahrscheinlichkeit. Sie können sich das Elektron in einem Atom genauso vorstellen, es wird angeregt,

Es wäre interessant, die Antennen in unterschiedlichen Abständen (Wellenlängen) zu platzieren, um zu sehen, welche mehr Photonen erhalten hat, dh die Richtung zu beeinflussen. Obwohl die Wellenlängen in Atomen sehr kurz sind, müssten einzelne Atome sehr genau platziert werden, um das Ergebnis zu beeinflussen.

Experimentieren Sie, um festzustellen, ob ein Photon in eine Richtung emittiert wird
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