Interferiert ein Photon nur mit sich selbst?

Manchmal höre ich Aussagen wie:

Quantenmechanisch entsteht ein Interferenzmuster durch Quanteninterferenz der Wellenfunktion eines Photons. Die Wellenfunktion eines einzelnen Photons interferiert nur mit sich selbst. Unterschiedliche Photonen (zB von unterschiedlichen Atomen) stören nicht.

Zunächst einmal – ist das richtig?

Wenn es richtig ist – wie erklären wir grundlegende klassische Interferenzen, wenn es uns egal ist, woher die ebenen Wellen kamen?

Ich habe gehört, dass es Experimente mit der Interferenz zweier verschiedener Laser gibt -- wird dies als Widerlegung der Aussage angesehen? Wenn ja – wie sollte man einen solchen Prozess der Interferenz verschiedener Photonen formal beschreiben?

Schließlich – solche Aussagen werden normalerweise Dirac zugeschrieben. Hat Dirac wirklich so etwas gesagt?

Phtons können nur sich selbst stören. Aber denken Sie noch einmal darüber nach, wenn Photonen Teil eines verschränkten Ganzen sind, was dann?
Laser erzeugen kohärentes Licht, in dem jeder Puls viele Millionen Photonen enthalten kann, die fast alle von verschiedenen Atomen stammen. Können Sie sagen, dass sich diese Photonen nicht gegenseitig stören?
Diese Frage wurde ausführlich in Glaubers Nobelvortrag diskutiert: journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.78.1267 . Die kurze Antwort lautet, dass es NICHT die Photonen sind, die stören. Es sind die komplexen Wahrscheinlichkeitsamplituden, die Pfaden von Quelle zu Detektor entsprechen, die interferieren.

Antworten (7)

Das Photonenmodell des Lichts ist möglicherweise das am häufigsten angewandte Modell in der Physik. Lamm drückt hier ziemlich klar meine Meinung aus :

Die Photonenkonzepte, wie sie von einem hohen Prozentsatz der Laser-Community verwendet werden, haben keine wissenschaftliche Rechtfertigung.

Meiner Erfahrung nach sind viele Physiker, die einfache Fragen zur Materie ohne unnötigen Bezug auf Quarks oder Gluonen beantworten, unfähig, einfache Fragen zum Licht ohne unnötigen Bezug auf Photonen zu beantworten.

Dies ist verwirrend, da nur sehr wenige Experimente in der Lage sind, zwischen der Existenz und der Nichtexistenz von Photonen zu unterscheiden .

Wenn Sie sich wirklich für das Photonenmodell des Lichts interessieren, dann seien Sie bereit, eine Menge Mathematik zu betreiben, um selbst relativ einfache experimentelle Ergebnisse vorherzusagen. Sie werden natürlich ein korrekteres Modell verwenden, aber man sollte das richtige Werkzeug für die richtige Arbeit verwenden.

Wenn Sie sich jedoch für das experimentell beobachtbare Verhalten von Licht interessieren, werden Sie mit den Maxwell-Gleichungen in den allermeisten Fällen die richtige Antwort finden. Sie fragen beispielsweise, ob sich zwei verschiedene Laser stören können. Sie können! Siehe diese Frage: Ist es möglich, Interferenzen von 2 unabhängigen optischen Lasern zu beobachten?

Ich bin sicher, dass das Photonenmodell dieses Ergebnis vorhersagt, aber ich vermute, nicht ohne ein ziemlich starkes Verständnis der Mathematik. Wenn Sie noch nie von Photonen gehört haben und alles, was Sie kannten, die Maxwellschen Gleichungen waren, ist dieses Ergebnis nicht sehr überraschend.

Ich schließe meine Antwort mit einer Frage: Für welche Art von experimenteller Vorhersage ist das Photonenmodell eigentlich relevant? Für welche Arten von Vorhersagen ist das Photonenmodell verwirrend, irreführend oder mehr Aufwand als es wert ist?

Bisherige Beispiele:
Das Photonenmodell ist relevant für:

Das Photonenmodell ist nicht relevant für:

Meine letzten beiden Behauptungen sind absichtlich fett. Widerlege mich!

Fortgeschrittenere Theorien sind in der Regel komplizierter. Aber es ist jetzt schon ein gemeines Argument gegen sie! Es gibt eine Reihe von Experimenten, bei denen Photonen erklärt werden müssen (wenn Sie nur eines haben - es ist einfach, solange es fast monochromatisch ist, siehe physical.stackexchange.com/questions/437/… ). Für Zwei-Photonen-Interferenz (z. B. Hong-Ou-Mandel) gibt es keine Möglichkeit, sie nur mit Maxwell-Gleichungen auszudrücken. Ah - natürlich ist "Photon" nur eine Kurzschreibweise für "elementare Anregung des QED-Vakuums".
Ok, danke für die Beantwortung meiner letzten Frage. Ich füge Hong-Ou-Mandel der Liste der Photonen-relevanten Experimente hinzu. In Bezug auf Ihren ersten Punkt glaube ich, dass Komplikationen ein gutes Argument gegen die vorzeitige Anwendung einer fortgeschritteneren Theorie sind . Sicherlich verwenden Sie das Quark-Modell nicht, wenn Sie das Spektrum des Wasserstoffatoms vorhersagen!
"'Herkömmliche' Interferenzstreifen von zwei unabhängigen Lasern" - stimmt. Wenn Sie jedoch Zustände mit einer festen Anzahl von Photonen interferieren, benötigen Sie Photonen (wie auch immer - es ist nicht schwer! nur Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren und einfache Transformationen an ihnen). Allgemeiner - der häufigste Zustand (dh kohärenter Zustand) kann tatsächlich mit klassischer Optik beschrieben werden (zumindest die Fälle, die ich kenne).
Das ist völlig falsch. Bezüglich Lamb, siehe physicalforums.com/showthread.php?t=372653
Also sind Sie mit Greensteins Buch von 2005, Abschnitt 2.1, nicht einverstanden? Wenn nein, welcher meiner Behauptungen widersprechen Sie tatsächlich? „Völlig falsch“ ist eine ziemlich starke Behauptung, besonders wenn Ihre primäre Unterstützung ein Forumsbeitrag ist, den Sie selbst geschrieben haben, und ein Frage/Antwort-Paar, das Sie selbst geschrieben haben. Vielleicht denkst du, ich bin mit dem Photonenmodell nicht einverstanden? Ich nicht. Ich denke, wie beim Quark-Modell, dass es eine sehr nützliche Fähigkeit ist, zu wissen, wann ein tieferes, aber mathematisch umständlicheres Modell relevant ist.
Gibt es in dem Modell kein Energieerhaltungsproblem, bei dem Sie Photonen als klassische Welle behandeln, die eine gewisse Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit haben, den Detektor auszulösen?
Das Photonenmodell als Teilchen ist für jeden Test/Experiment relevant. Alle reden über Dualität, aber sie nehmen Partikel nie ernst. Auf Teilchenbasis lassen sich beliebige Lichtphänomene ableiten. Es ist die Lichtwellentheorie, die Probleme hat, sich selbst zu erklären. Was ist eine Lichtwelle, wenn nicht Milliarden einzelner kohärenter Photonen?
Auch bei dieser Antwort bin ich mir nicht sicher. Ich verstehe, wovon es spricht, aber das Argument von Lamb und Scully scheint darauf hinzudeuten, dass es möglich ist, Licht mit beliebig niedriger Intensität bei einer festen Frequenz zu erkennen, vorausgesetzt, das Erkennungsmedium hat interne Energieniveaus, die nahe genug beieinander liegen. Es scheint jedoch, dass die Astronomie in diesem Fall die Astronomie erheblich vereinfachen würde, da Sie die Empfindlichkeit der Sensoren einfach weiter erhöhen und beliebig schwache Ziele in kurzer Zeit abbilden könnten. Aber ich habe noch nie gehört, dass das möglich ist.

Ein einzelnes Photon kann nur „sich selbst“ stören. „Selbst“ ist jedoch schlecht definiert, da alle Photonen in der Quantenmechanik identisch sind. Aufgrund ihrer Bose-Einstein-Statistik ist die Wellenfunktion aller Photonen symmetrisch – invariant unter allen Permutationen der einzelnen Photonen. Die Zustände, in denen einige Photonen permutiert werden, interferieren also tatsächlich miteinander – die Symmetrie muss gewahrt bleiben.

Zwei unabhängige Atome emittieren spontan Photonen und der Prozess ist "zufällig", sodass es keine Korrelation zwischen den Phasen der beiden Photonen gibt. Das ist wirklich der Grund, warum sie sich nicht gegenseitig stören können. Außerdem können Ein-Photonen-Zustände Zwei-Photonen-Zustände (das wäre wie das Hinzufügen von Äpfeln und Orangen - man kann keine sinnvolle "Summe zweier Funktionen" definieren, wenn die beiden Funktionen von verschiedenen Variablen abhängen) und Photonen nicht stören Zustände mit unterschiedlichen (senkrechten) Polarisationen können sich auch nicht gegenseitig stören.

Eine klassische elektromagnetische Welle ist ein Kondensat aus einer großen Anzahl von Photonen – im Wesentlichen alle im gleichen Zustand. Die Wellenfunktion aller Photonen ist das Tensorprodukt der Wellenfunktionen eines einzelnen Photons – oder eine Tensorstärke des Zustands jedes Photons ist gleich. So kann die probabilistische Wellenfunktion plötzlich klassisch interpretiert werden.

ψ n ( x → 1 , … , x → n ) = ∏ ich = 1 n ψ 1 ( x → ich )
Jede Einzelphotonenwellenfunktion ψ 1 entwickelt sich im Wesentlichen unabhängig, also der Gesamtzustand ψ n denn alle Photonen behalten ihre faktorisierte Form. Das durchschnittliche elektrische Feld und magnetische Feld der vielen Photonen trägt die gleiche Information wie ψ 1 , eine Einzelphotonen-Wellenfunktion, und sie entwickeln sich auch auf die gleiche Weise.

Sie können jedoch immer noch sagen, dass die Interferenz der klassischen Welle mit sich selbst "auf der Interferenz jedes Photons mit sich selbst beruht".

Ihre Frage ist nicht quantitativ - eher sprachlich als mathematisch -, daher ist es schwierig, sie scharf zu beantworten. Die richtige Beschreibung bezieht sich jedoch auf die Mathematik. Was Sie verstehen müssen, ist, dass die Wellenfunktion des gesamten Systems eine Funktion eines maximalen Satzes von Pendelvariablen ist. Wenn diese Variablen Positionen enthalten, kann die Interferenz nur zwischen Zuständen auftreten, deren alle anderen Quantenzahlen identische Werte annehmen.

Das Photon von heute interferiert nicht mit einem Photon von morgen, daher gibt es Fälle, in denen Photonen unterscheidbar sind.
„Zwei unabhängige Atome emittieren spontan Photonen und der Prozess ist „zufällig“ [WAHR], also gibt es keine Korrelation zwischen den Phasen der beiden Photonen [FALSCH DEFINIERT]. Das ist wirklich der Grund, warum sie sich nicht gegenseitig stören können [FALSCH]. " Es gibt eine feste Unterscheidung zwischen einem Photon an 2 Stellen a | x 1 ⟩ + β | x 2 ⟩ (hier ist die Phase entscheidend) und zwei Photonen | x 1 ⟩ ⊗ | x 2 ⟩ (hier ist die Phase völlig irrelevant). Zwei-Photonen-Interferenz kann gemessen werden, wenn Sie zwei Detektoren haben (siehe meine Antwort). Mit nur einem Detektor sehen Sie es nicht.
Zwei aufeinanderfolgende Photonen werden mit einem Ein-Photonen-Zustand beschrieben, nicht mit einem Zwei-Photonen-Zustand. Wenn Sie "Zwei-Photonen-Zustand" sagen, bedeutet das jetzt zwei Photonen .
„Eine klassische elektromagnetische Welle ist ein Kondensat aus vielen Photonen“ Sie besteht aus vielen Photonen, ist aber streng genommen kein Kondensat . Ein Kondensat ist ein Vakuumerwartungswert.
Toll, @flippiefanus - ich hätte einen "zusammenhängenden Zustand" sagen sollen, aber das wäre für die Zielgruppe weniger nachvollziehbar. Der kohärente Zustand ist eine einfache Verallgemeinerung des "Kondensats".

Nein. Auch wenn eine solche Behauptung in Diracs klassischem Werk steht, ist sie nicht wahr.

Siehe zB Hong-Ou-Mandel-Interferenz , wenn genau zwei Photonen interferieren (sie können sogar aus verschiedenen Quellen stammen). Für ein Zitat von Paul Dirac und einige weitere Analysen siehe:

An Diracs Behauptung ist jedoch etwas Wahres dran - Photonen stören nur dann selbst, wenn Sie nur einen Detektor zum Messen haben.

Es ist falsch zu sagen, dass zwei verschiedene Photonen interferieren. Es ist richtig zu sagen, dass HOM eine Interferenz des Zwei-Photonen-Zustands ist. Es ist analog zur Interferenz des Ein-Photonen-Zustands. Es gibt keine Zerstörung von Energie in der destruktiven Interferenz.
@Vladimir Nun, "anders" in dem Sinne, dass es keine Interferenz des Photons mit sich selbst ist. Und sie können aus verschiedenen Quellen stammen (verschiedene Laser oder Sterne), wenn Sie möchten; trotzdem lösche ich 'anders', da es verwirrend ist. Ich kenne alle Sachen mit (Un)Unterscheidbarkeit usw. Natürlich gibt es keine Zerstörung von Energie (nie impliziert).
Ununterscheidbarkeit ist in HOM leicht zu verstehen, wenn man den Spiegel als echte Quelle zweier Photonen betrachtet.
Also lag Dirac falsch; Können Sie ein besseres QM-Lehrbuch empfehlen?

Es gibt Fälle, in denen ein Photon nicht mit sich selbst interferieren kann. Nehmen Sie ein Interferometer mit zwei nahezu gleichen Pfaden und beobachten Sie die Interferenz. Sobald ein Photon selbst eine begrenzte Länge hat, kann es nur dann mit sich selbst interferieren, wenn der Gangunterschied kleiner als seine eigene Länge ist. Sonst kann es nicht. Der Trick besteht darin, gleichzeitig eine Überlagerung von Wellen zu haben . Wenn Wellenzüge von Photonen ohne Überlappung eintreffen , gibt es keine Interferenz, weil es keine Überlagerung gibt . Überlagerung ist ein zeitlich lokaler Begriff. Es wird oft eher impliziert als ausgesprochen.

Eine allmähliche Änderung des Interferometergangunterschieds führt schließlich zur Zerstörung des Interferenzmusters aufgrund der Endlichkeit des Photonenwellenpakets.

Nun werden zwei entfernte Atome (oder Laser) als eine einzige Quelle betrachtet und "ihre" Photonen interferieren nur dann nicht, wenn sie sich zeitlich nicht überlappen (siehe oben). Eine einzelne Quelle bedeutet, dass ein Photon mit sich selbst interferiert, nicht zwei verschiedene Photonen von verschiedenen Atomen.

Dirac beschreibt in seinem Buch über QM die Interferenz eines Photons mit sich selbst, aber seine Aussage war nicht originell. Ich habe einen Artikel von H. Poincaré (1912) gelesen, in dem er zu dem Schluss kommt, dass, wenn wir die Quantennatur des Lichts akzeptieren, jedes Quant (Photon) mit sich selbst interferiert, nicht mit anderen Photonen. Poincaré kam zu dieser Schlussfolgerung, indem er einen Strahl mit sehr geringer Intensität betrachtete (Fluss von Quanten einzeln). Aber ich bin mir nicht sicher, ob es zum ersten Mal ausgesprochen wurde oder er schrieb, was damals eine "Quantenfolklore" war.

Die Antwort von Lubos Motl ist natürlich richtig, aber ich möchte auf ein physikalisches System hinweisen, in dem sich offenbar Photonen aus unterschiedlichen Quellen gegenseitig stören.

Stellen Sie sich zwei Laser mit externem Resonator vor, die nominell identisch sind, aber unabhängig voneinander laufen. HeNe-Laser werden gut funktionieren. Montieren Sie auf dem ersten Laser einen der Hohlraumspiegel auf einem piezoelektrischen Stapel, damit die Hohlraumlänge fein gesteuert werden kann. Kombinieren Sie Strahlen von beiden Lasern durch einen Strahlteiler auf einen Detektor, führen Sie den Ausgang des Detektors zu einem Verstärker und führen Sie den Ausgang des Verstärkers zu dem piezoelektrischen Stapel. Schalten Sie das System ein und der erste Laser wird automatisch mit dem zweiten Laser phasensynchronisiert, wenn die beiden Strahlen gut ausgerichtet sind. Von den beiden Lasern abgespaltene Strahlen interferieren und können sogar zur Herstellung von Hologrammen verwendet werden, wobei ein Strahl als Referenz und der andere zur Objektbeleuchtung verwendet wird.

Jedes unter Verwendung der beiden Strahlen gebildete Interferenzmuster besteht aus Einzelphotonenereignissen, aber es ist nicht möglich, zu bestimmen, von welchem ​​Laser ein bestimmtes Photon kommt, ohne die Interferenz zu zerstören. WENN wir sagen, dass die Interferenz immer darauf zurückzuführen ist, dass ein Photon mit sich selbst interferiert, dann müssen wir akzeptieren, dass die Wellenfunktion jedes Photons ihre Quelle in beiden Lasern hat.

All dies sagt aus, dass ein Photon nicht genau ein Teilchen ist. Seine Definition ist nicht einfach!

Die Existenz von relativ großen Hologrammen (erzeugt oder reproduziert von einem einzigen Laser) zeigt mir, dass ein Photon andere Photonen stören kann, wenn sie alle eine feste Phasenbeziehung beibehalten.

Man könnte sagen, dass jedes Photon seinen eigenen Weg durch das Medium nimmt, das Medium bietet einfach viele strukturierte Wege, die viele Bilder erzeugen, die Sie basierend auf Ihrer Position beobachten. Peter Shor sagte oben, dass Interferenz in einem Laser auftritt, was durch Kohärenz belegt wird .... aber die Laserwirkung ist Photon --> Elektron --> stimuliertes Photon .... dh die Photonen interagieren (oder interferieren) niemals miteinander.
Um ein Hologramm zu erzeugen, wird ein Laserstrahl geteilt. Ein kleiner Teil wird durch eine Linse gespreizt und geht direkt zum Hologramm. Der Rest verteilt sich und beleuchtet eine Szene. Die Photonen, die von der Szene reflektiert werden und am Hologramm ankommen, interferieren mit dem direkten Strahl, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das auf Film aufgezeichnet wird. Dies funktioniert meines Wissens nur, wenn alle Photonen die Lichtquelle gleichphasig verlassen.

Ein Photon interferiert nicht mit sich selbst oder anderen Photonen. Das scheinbare Interferenzmuster, das entsteht, wenn Photonen oder sogar ein einzelnes Photon eine Doppelschlitzvorrichtung passieren, ist auf die quantenmechanische Wellenleiterstruktur zurückzuführen, die die Wahrscheinlichkeiten für Photonen bestimmt, über verschiedene Wege vom Emitter zur Detektionswand zu gelangen. Siehe http://ps.missouri.edu/feynman für einige Animationen von Wahrscheinlichkeitsamplituden.

Quantenmechanische Wellenleiterstruktur Dieser Satz scheint einer näheren Erläuterung zu bedürfen ...
Interferiert ein Photon nur mit sich selbst?
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