Kommt es bei einzelnen Photonen zu Polarisation?

Einzelne Photonen sind polarisiert.

Der Zustand eines zirkular polarisierten Photons lässt sich als quantenmechanische Überlagerung zweier linear polarisierter Zustände beschreiben . Beachten Sie, dass dies in zweierlei Hinsicht von Ihrer Beschreibung abweicht. Das Photon entsteht nicht aus zwei anderen Photonen, sondern sein Zustand . Und die Kombination ist eine quantenmechanische Überlagerung , die nicht dasselbe ist wie die Kombination zweier Photonen.

Zirkulare Polarisationen können als Überlagerungen von linearen Polarisationen dargestellt werden, und lineare Polarisationen können als Überlagerungen von zirkularen Polarisationen dargestellt werden. Dies liegt daran, dass lineare und zirkulare Polarisationen dieselbe Sammlung von Photonenpolarisationszuständen beschreiben, und Sie können diese Sammlung von Zuständen entweder in lineare oder in zirkulare Polarisationen zerlegen (formal sagen wir, dass lineare und zirkulare Polarisationen jeweils eine Basis bildendes Vektorraums der Polarisationszustände). Dies ist der Beschreibung der Koordinatenebene in Bezug auf zwei verschiedene Koordinatensätze sehr ähnlich: Sie können beispielsweise die vollständige Koordinatenebene entweder in Bezug auf gewöhnliche kartesische Koordinaten oder durch um 45 Grad gedrehte kartesische Koordinaten beschreiben. Jeder Punkt in der Ebene hat wohldefinierte Koordinaten in diesen beiden Systemen, und welches gewählt wird, ist weitgehend eine Frage der Bequemlichkeit.

Wenn Sie beispielsweise den Drehimpuls von Photonen messen möchten, ist die Zirkularpolarisationsbasis definitiv besser geeignet, da sowohl der linkshändige als auch der rechtshändige Zirkularpolarisationszustand einen bestimmten Drehimpuls haben. Wenn Sie dagegen die Wahrscheinlichkeit messen möchten, dass ein Photon einen linearen Polarisator passiert, sollten Sie besser eine auf den Polarisator ausgerichtete lineare Polarisationsbasis verwenden, da die Basiszustände 100 Prozent und 0 Prozent haben Wahrscheinlichkeit, den Polarisator zu passieren.

Außerdem erfordert die Überlagerung keine zwei Photonen. Die klassische Definition der Überlagerung (zwei Wellen werden addiert, während sie den gleichen Raum einnehmen) beschreibt die Überlagerung nicht so, wie wir sie in der Quantenmechanik meinen (wo ein einzelnes Objekt in einem Zustand existieren kann, der nicht durch einen bestimmten Wert ausgedrückt werden kann ein Beobachtbares).

Als ich zum ersten Mal Quantenmechanik lernte, las ich diese schöne Erklärung in Diracs Buch: siehe Seite 14 dieses pdf, http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/wasbleibt/57355817/57355817.pdf oder Seite vier in das Buch.

In der klassischen Physik definiert Polarisation die zeitliche Entwicklung des elektrischen Feldvektors in einer Welle https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves) . In der Quantenmechanik kann man einem einzelnen Photon eine Polarisation zuschreiben, aber was das genau „bedeutet“ oder „aussieht“ ist schwierig! Ich werde nicht versuchen, es besser zu erklären als Dirac oben (es ist sehr klar!), aber vielleicht ist eine Zusammenfassung, dass ein Photon ein Objekt in der Quantenmechanik ist, das durch einen Quantenzustand beschrieben werden kann. Ein Quantenzustand kann als eine Reihe von Eigenschaften des Photons zusammen mit einer Reihe von Wahrscheinlichkeiten betrachtet werden, die mit physikalischen Messungen verbunden sind, die Sie möglicherweise an dem Photon vornehmen. Die Polarisation des Photons ist eine solche Bezeichnung, die dem Zustand zugeordnet ist.

Wie bereits in einer anderen Antwort erwähnt, kann sich ein einzelnes Objekt in einer Überlagerung von zwei Zuständen befinden, sodass Sie nicht mehr als ein Photon benötigen, um eine zirkulare Polarisation zu haben. Schrödingers Katze ist ein einzelnes Objekt, das zwischen tot und lebendig überlagert ist - Sie brauchen nicht zwei Katzen, um die Überlagerung zu haben.

„Ich habe gelesen, dass zirkular polarisiertes Licht aus der Überlagerung von zwei linear polarisierten Licht entsteht.“

So kann man es sich vorstellen. Wenn Sie für Ihren Raum eine Vektorbasis gewählt haben, können Sie sich jeden Vektor als Summe der Basisvektoren vorstellen.

Aber Ihr Vektor ist nicht von Natur aus die Summe Ihrer Basisvektoren. Das ist nur eine Art, darüber nachzudenken, eine Art, die für Sie nützlich sein könnte, nachdem Sie Ihre Basis gewählt haben.

In ähnlicher Weise liefert die lineare Polarisation Vektoren, die senkrecht zur Bewegungsrichtung stehen. Zirkulare Polarisation ist nur ein Polarisationsvektor, der mit der Bewegungsrichtung übereinstimmt, und elliptische sind alles andere auf der Kugel.

Wenn Sie zwei lineare Polarisationen multiplizieren, erhalten Sie ein Produkt, das dazwischen liegt, oder etwas, das stärker zirkular polarisiert ist, abhängig von den relativen Phasen und Amplituden.

Die Polarisierung jeder Entität ist nur ihre Polarisierung. Wie Sie es in andere Polarisierungen aufteilen, ist nur etwas, was Sie für Ihre Bequemlichkeit tun.