Warum verhält sich der Pre-Slit-Photonendetektor in einem Doppelspalt-Experiment anders als Luft?

Die Verwendung von Photonen für das Doppelspaltexperiment erfordert kein Vakuum, daher kollabiert die Wellenfunktion des Photons entweder nicht bei der Absorption oder wird bei der Emission wiedererlangt, wenn es mit Luft wechselwirkt. Ich kenne keine Möglichkeit, wie der Detektor vor den Schlitzen das Photon beobachten könnte, es sei denn, es erfolgt durch Absorption, und um es auf die andere Seite zu schaffen, muss es erneut emittiert werden.

Wenn wir in jedem Fall einen Detektor vor die Spalte stellen, kommt es als Teilchen aus dem Detektor heraus, dessen Wellenfunktion zusammengebrochen ist. Warum verhält sich der Detektor anders als Luft?

Antworten (2)

Wenn ein Photon mit einem Atom interagiert, können drei Dinge passieren:

  1. Bei der elastischen Streuung behält das Photon seine Energie und Phase bei und ändert den Winkel

  2. Bei der inelastischen Streuung gibt das Photon einen Teil seiner Energie an das Atom ab und ändert dabei den Winkel

  3. Absorption, das Photon gibt seine gesamte Energie an das Atom ab und das absorbierende Elektron bewegt sich gemäß QM auf ein höheres Energieniveau

Im Fall des Detektors ist es Absorption. Das Photon ergreift die Existenz. Sie wandelt sich in die kinetische Energie des Elektrons um.

Im Fall von Luft streuen die Atome der Luft die Photonen elastisch. Es ist Rayleigh-Streuung, deshalb ist der Himmel blau. In diesem Fall ist die Wellenlänge der Photonen viel größer als die der streuenden Atome. Nur so bleibt die Energie und Phase der Photonen erhalten und man kann ohne größere Verzerrungen Bilder von Objekten durch die Luft sehen. Es ist eine kohärente (spiegelnde) Art der Brechung. In der Optik verwenden wir die Ausdrücke kohärent und diffus (dekohärent) für Reflexion und Brechung. Im Falle der Brechung, wie durch Luft, bedeutet dies (kohärent), dass nicht nur die Energie und Phase der einzelnen Photonen erhalten bleibt, sondern auch die relativen Phasen der Photonen. Nur so bleibt das Bild, das wir durch die Luft sehen, kohärent.

Jetzt haben Sie Ihre Frage bearbeitet, um über den Detektor vor den Schlitzen zu sprechen. Das nennt man das which way-Experiment. In diesem Fall befindet sich vor einem der Schlitze ein Detektor. Das ist unelastische Streuung, und das bewirkt, dass dieses Photon kein Interferenzmuster erzeugt.

Wenn also das Photon elastisch durch Luft gestreut wird, erzeugt es immer noch ein Interferenzmuster, weil bei der elastischen Streuung die Energie und Phase erhalten bleiben.

Wenn sich vor dem Spalt ein Detektor befindet, handelt es sich um inelastische Streuung, und in diesem Fall erzeugt dieses Photon kein Interferenzmuster, da das Photon einen Teil seiner Energie an das streuende Atom abgibt und die Phase ändert.

szendrei Arpaf, du machst dich verrückt, während du so gehst. Was ist spiegelbrechung. Habe nie davon gehört.
@Árpád Szendrei Ich habe meine Frage so bearbeitet, dass sie weniger eindeutig ist. Ich beziehe mich auf den Detektor vor den Schlitzen.
@Árpád Szendrei bedeutet das also, dass alle Photonen, nachdem sie unelastische Streuung durchlaufen haben, niemals als Wellen wirken können?
@StackUser20004 Nein, nach inelastischer Streuung bewegt sich das Photon immer noch als Welle, aber die Energie und Phase ändern sich. deshalb kann es niemals konstruktive Interferenz erzeugen. Es ist die konstruktive Interferenz nach den Schlitzen, die das sichtbare, hellere Muster auf dem Display verursacht. Jetzt fragen Sie sich vielleicht, aber wie erzeugt ein einzelnes Photon eine Interferenz? Was nun passiert, ist, dass ein einzelnes Photon als Welle wandert und die Teile der Welle durch die Schlitze wandern. Diese Teilwellen interferieren nach den Schlitzen miteinander und erzeugen Interferenzen.
@ StackUser20004 Die konstruktive Interferenz erzeugt die hellen Muster. Die destruktive Interferenz erzeugt die dunkleren Teile auf dem Bildschirm. Jetzt fragen Sie sich vielleicht, aber wenn das Photon als Teilwellen durch die Spalte wandert, warum hindert die inelastische Streuung das Photon daran, mit sich selbst zu interferieren? Was passiert ist, dass unelastische Streuung sphärische Wellen erzeugt und diese Welle keine konstruktive Interferenz erzeugt. Elastische Streuung erzeugt zylindrische Wellen, und diese erzeugen konstruktive Interferenz.
Siehe hier: phys.org/news/…
Die drei von Ihnen beschriebenen Mechanismen berücksichtigen nicht den Brechungsindex, der das Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen EM-Wellen (Photonen) und Elektronen ist ...

Wenn ein Photon mit einem Luftmolekül wechselwirkt, verliert es nicht seine Kohärenz – das heißt, während es infolge der Wechselwirkung mit den Elektronen des Moleküls zu einer gewissen Phasenverschiebung der Wellenfunktion kommt, bleibt die Welle eine Welle. Wenn es tatsächlich absorbiert und wieder emittiert wird, würde die Kohärenz verloren gehen; In diesem Fall würden Sie die Streifen verlieren (die Richtung des emittierten Photons wäre nicht mehr dieselbe wie die Richtung des einfallenden Photons).

Wenn ein Photon erkannt wird, ist es weg. Es kann nicht durch den Detektor hindurch fortgesetzt werden. Es ist ein etwas subtiler Punkt, dass, wenn ein Photon von einem Luftmolekül absorbiert und kohärent wieder emittiert wird, es unmöglich ist zu wissen, mit welchem ​​Luftmolekül es interagiert hat – das Luftmolekül fungiert also nicht als Detektor.
@S.McGrew Ich habe meine Frage so bearbeitet, dass sie weniger zweideutig ist. Ich beziehe mich auf den Detektor vor den Schlitzen.
Diese Absorptions- und Reemissionsidee wird kontinuierlich vorangetrieben. Niemand hat bisher irgendeine wissenschaftliche Arbeit erstellt, um diese Idee zu untermauern. Es kann getrost ignoriert werden.
@S.McGrew " Wenn ein Photon von einem Luftmolekül absorbiert und kohärent wieder emittiert wird, ist es unmöglich zu wissen, mit welchem ​​​​Luftmolekül es interagiert hat - das Luftmolekül fungiert also nicht als Detektor" - Dies ist das erste sinnvolle Aussage sehe ich zu diesem Thema schon lange. Könnten Sie bitte meine frühere Frage in diesem Sinne hier beantworten, und ich werde Ihre Antwort akzeptieren? physical.stackexchange.com/questions/368333/…
Ihre Antwort ist unklar. Wie sonst kann ein Photon mit einem Molekül interagieren, ohne absorbiert und reemittiert zu werden? Wenn man von „elastischer Streuung“ spricht, übersieht man oft, dass eine solche „Streuung“ durch ein Feynman-Diagramm beschrieben wird, das Absorption und Reemission vermittelt durch ein virtuelles Elektron zeigt. Dementsprechend beinhaltet die QFT-Beschreibung dieses Prozesses die Vernichtungs- und Erzeugungsoperatoren für das Photon. Somit ist das "gestreute" Photon tatsächlich ein anderes Photon, das von dem Molekül nach Absorption des ursprünglichen Photons emittiert wird. Siehe S. McGrews Kommentar oben für weitere Details.
OK, ich habe es auf [ physics.stackexchange.com/questions/368333/… . Hinweis: Ein Photon ist eher ein Detektionsereignis als ein Teilchen oder eine Welle, daher ist es nicht ganz richtig zu sagen, dass sich das gestreute Photon von dem Photon vor der Streuung unterscheidet. Die Quantenmechanik beschreibt die Wahrscheinlichkeiten von Kombinationen von Detektionsereignissen.
Was zwischen den Ereignissen passiert, ist unbestimmt, wird aber wahrscheinlichkeitstheoretisch durch die Wellenfunktion beschrieben. In der Viele-Welten-Interpretation sind "Erkennungs"-Ereignisse solche Ereignisse, die makroskopische Effekte haben (z. B. einen Beobachter dazu bringen, sie zu bemerken), die je nach dem erkannten Wert des Ereignisses zu unterschiedlichen Zukünften führen.
Warum verhält sich der Pre-Slit-Photonendetektor in einem Doppelspalt-Experiment anders als Luft?
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