Ich schlage folgendes Szenario vor:
Bei wird ein Photon von einem Stern emittiert. Bei , wird das Photon von einem Detektor empfangen und interpretiert.
Meine Frage ist, ob es richtig ist, das zu sagen wurde das Photon im richtigen Winkel und Zeitpunkt emittiert, so dass es in diesem Detektor gelandet sein musste. Mit anderen Worten, ist die Photonenreise deterministisch, sodass Sie, wenn Sie den Emissionswinkel des Photons kennen, bestimmen könnten, wo das Photon schließlich landen sollte? Es ist ziemlich einfach vorherzusagen, wo Photonen auf kleinen Skalen landen werden (sonst wären Laser ziemlich nutzlos), aber lässt sich diese Fähigkeit gut auf kosmische Skalen übertragen (vorausgesetzt, wir kennen den genauen Emissionswinkel)?
Wir können Ihre Anforderung "das Photon wurde im richtigen Winkel emittiert" durch "das Photon wurde in einem Impuls-Eigenzustand präpariert" erfüllen. Wenn das Photon einen bestimmten Impuls hat , dann ist seine Fahrtrichtung genau definiert, wie Sie angegeben haben. Ein Photon ist eine diskrete Anregung einer „Mode“, also einer Lösung der Maxwellschen Gleichungen. Für ein Photon in einem Impuls-Eigenzustand ist dieser Modus eine ebene Welle (er hat auch einen Polarisationsvektor).
Nun, wenn ich es richtig verstanden habe, möchten Sie auch sagen können, dass Sie bei einem solchen Photon, nachdem Sie es an einem Ort entdeckt haben, sofort sagen können, wo es erzeugt wurde - sein Emissionspunkt müsste irgendwo entlang der verfolgten Linie liegen von seinem Detektionspunkt in Richtung seines Impulses. Jetzt liegt das Problem bei "seinem Emissionspunkt". Da wir angegeben haben, dass das Photon in einem Impuls-Eigenzustand hergestellt wurde, hatte es keinen bestimmten Emissionspunkt – sein Emissionspunkt war aufgrund der Heisenberg-Unschärferelation völlig unbestimmt. (Es gibt auch ein verwandtes Problem, nämlich dass Photonen nicht einmal Positionsoperatoren zulassen, aber diese Subtilität wird für diese Diskussion nicht benötigt).
Sie mögen einwenden, dass wir sicherlich (ungefähr) die Position der Emission eines Photons kennen, das aus einem atomaren Übergang stammt – es muss am Ort des Atoms sein (der bis zu einem gewissen Grad genau bekannt sein wird). Dies ist wahr, aber atomare Übergänge regen keine Photonen in ebenen Wellenzuständen an, daher ist der Impuls (insbesondere die Richtung) der durch diese Übergänge angeregten Photonen unbekannt - sie sind keine ebenen Wellenimpuls-Eigenzustände.
Im Laserbeispiel verläuft die Strahlausbreitung zwar annähernd entlang klassischer Geraden, aber man kann die Aktivität eines einzelnen Photons in einem solchen Zustand nicht verfolgen. Tatsächlich ist im kohärenten Zustand die Anzahl der vorhandenen Photonen nicht einmal eindeutig.
Lassen Sie uns das Problem klarstellen.
Ein Photon ist eine quantenmechanische Einheit und folgt den Gesetzen der Quantenmechanik. An jeden möglichen Weg, den es nehmen kann, ist immer eine Wahrscheinlichkeit gebunden, daher lautet die strenge Antwort "Nein, der Weg des Photons ist nicht deterministisch".
ABER das Problem ändert sich, wenn man von einem großen Ensemble von Photonen spricht, also jedem Licht, das wir sehen können. Diese werden durch die klassische Elektrodynamik sehr gut deterministisch beschrieben. Es gibt einen fließenden Übergang zwischen dem quantenmechanischen Photonengerüst und der klassischen Theorie von Maxwell, obwohl es viel physikalischen Hintergrund erfordert, um es zu verstehen
Deshalb funktionieren Laser so gut , sie emittieren ein riesiges Ensemble von Photonen korreliert und in Phase und können praktisch wie Lichtstrahlen der klassischen Optik wirken.
Man könnte dann sagen, dass, wenn man den Winkel des Sterns kennt, der Strahlengang vollständig bestimmt ist, ABER hier stoßen wir auf die Allgemeine Relativitätstheorie, um zu verdeutlichen, was bestimmt bedeutet. In der Allgemeinen Relativitätstheorie folgen Null-Masse-Objekte der Geodäte , sodass nicht nur Winkel in das Problem eintreten, sondern auch massive Körper, bevor man den Determinismus feststellen kann.
Es ist nicht richtig, dies zu sagen. Andernfalls könnte das Zweispaltexperiment nicht funktionieren. Wenn jedes Photon bei seiner Emission eine einzige Richtung hätte, könnte es nicht beide Schlitze passieren und sich selbst stören; es müsste durch den Schlitz gehen, auf den es ursprünglich gerichtet war.
Vergessen Sie nicht, dass das Photon sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist. Es breitet sich also seitwärts (quer) aus und reist daher auf mehr als einem Weg zu seinem Ziel, was durch die Airy-Scheibe in einem Teleskop und andere Beugungseffekte* verifiziert werden kann. Der genaue Landepunkt ist probabilistisch, was gegen den Determinismus spricht, selbst wenn Sie nach einem bestimmten Startpunkt und einem bestimmten Endpunkt auswählen.
*Ferner, wenn Sie an Feynmans Ideen glauben, reiste das Photon durch alle Räume und Zeiten.
Abhimanyu Pallavi Sudhir
anna v