Seufzen. Ich nähere mich dem Rentenalter und bin immer noch zutiefst verwirrt über etwas, das mir vor 40 Jahren zum ersten Mal in der Highschool begegnet ist.
Betrachten Sie das übliche Doppelspaltexperiment. Machen Sie die Lichtquelle zu einem Laser mit einem Strahl von 1 mm Breite. Und stelle es 5 Meter von den Schlitzen entfernt auf.
Auf der anderen Seite der Spalte zeigt das Photon das bekannte Beugungsmuster, abwechselnd dunkle und helle Bänder. Gut, sehr ordentlich. Bedenken Sie jedoch, dass einzelne Photonen beugen können.
Ein einzelnes Photon kommt also den Strahl hinunter. Der Strahl ist 1 mm breit mit sehr geringer Streuung und 5 m lang. Der Impuls eines einzelnen Photons ist also sehr eng begrenzt. Und sich bewegende Objekte in der Nähe, aber nicht im Strahl, ändern nichts auf der anderen Seite der Schlitze. Objekte wie zum Beispiel Schüler, die das Experiment in der Highschool durchführen. Wenn Sie kein Rot bekommen, ändern Sie weder das Muster noch die Helligkeit.
Auf der anderen Seite des Bildschirms kann das Photon eine ganze Ecke drehen, zum Beispiel 30 Grad. Die Energie ändert sich nicht sehr, da sie immer noch die gleiche hübsche rote Farbe vom Laser hat.
Wie schafft es es, um diese Ecke zu kommen und Schwung zu bewahren?
Die Schlitze selbst erhalten von jedem Photon einen winzigen Impuls. Wenn ein Photon nach links gebeugt wird, werden die Schlitze nach rechts verschoben. Jedes Mal, wenn ein Photon die Richtung ändert, braucht es etwas anderes, um in die entgegengesetzte Richtung Schwung zu bekommen, sei es ein Sonnensegel oder ein Stern, der das Licht durch die Schwerkraft biegt. Da die Schlitze normalerweise im Boden verankert sind und der Impuls so klein ist, ist der Effekt nicht beobachtbar.
Ihre Frage tauchte tatsächlich in einer Reihe von Debatten zwischen Albert Einstein und Niels Bohr darüber auf, ob die Quantenmechanik überhaupt Sinn macht. Einstein argumentierte, dass der Impuls eines Photons auf die Schlitze im Gegensatz zur Quantentheorie die gleichzeitige Messung von Position und Impuls des Photons ermöglichen würde. Bohr antwortete, dass die notwendige Präzision der Impulsmessung des Schlitzes – durch das Heisenbergsche Unschärfeprinzip – die Position des Schlitzes unsicher genug machen würde, um das Interferenzmuster zu zerstören, wodurch jede Messung der Position des Photons negiert würde.
Es verleiht dem Schlitz tatsächlich Schwung. Dasselbe wie beim typischen Sonnensegel, obwohl der Schlitz viel kleiner und fest angebracht ist, sodass er sich nicht bewegt.
(Außerdem ist es möglicherweise besser, sich Photonen als sehr klein vorzustellen und einen Laserstrahl, der viele Impulse in das EM-Feld sendet, wie viele Kieselsteine, die in einen Teich fallen. Aber die Betrachtung eines Photons, solange sein Weg ist, ist auch klug, wenn Sie den Feynman-Weg integral betrachten Implikationen. Mein Gedanke ist, dass ein angeregtes Elektron / Atom das EM-Feld mit virtuellen Photonen stört, dies kann Milli- oder Mikrosekunden oder länger oder kürzer dauern. Wenn ein wahrscheinlicher Weg bevorzugt wird, gehen die echten Photonen ... Siehe Feynman-Wegintegral.)
Andere Antworten deuten darauf hin, dass die gebeugten Photonen durch Wechselwirkung mit dem Schlitzfilter einen Impuls erhalten, aber ich finde diese Hypothese unhaltbar, da der Teil des Lichts, der mit der Wand der Schlitze interagiert, zurückprallt und dekohäriert und nicht zum Beugungsmuster beiträgt. daher können wir ihren Beitrag hier völlig ignorieren.
Quantenamplituden sind linear , daher zählt das Entfernen oder Filtern eines Teils einer Wellenfront nicht als Wechselwirkung, daher kann es keinen Impuls auf die gebeugte Amplitude übertragen.
Die richtige Antwort liegt woanders: Wie Sie gezeigt haben, wird angenommen, dass der transversale Abschnitt des Strahlwellenpakets eine Nettoimpulsdrift von Null und eine kleine Gaußsche Streuung aufweist. Wir müssen über den sich entwickelnden 2D-Querschnitt des Balkens als interessierendes System nachdenken.
Wie Sie vielleicht wissen, haben Gaußsche Strahlen die optimale Querschnittsform für Licht, damit es sich nicht ausbreitet. Wir können es uns als eine halbstarre Lichtphase vorstellen.
Nach der Beugung verliert es den Gaußschen Querschnitt, der den Strahl transversal „gepackt“ hält, und es „löst“ sich auf, als würde es von unserer konzeptionellen halbstarren Phase in eine flüssigkeitsähnliche Phase übergehen, die eine viel höhere Strahldivergenz (wir kann sicherlich die Strahldivergenz in der Zunahmerate der Strahlausbreitung über die Längsentfernung messen)
Die Gaußsche Form ist etwas Besonderes, weil sie die Ungleichheit der Unschärferelation „sättigt“, so dass:
Dies verleiht ihm seine besondere Eigenschaft der optimalen Formerhaltung über die Zeit. Nur dass in diesem Fall die „Zeit“-Variable des 2D-Pakets die Ausbreitungslängsachse ist und die Ausbreitung statt in tatsächlichen räumlichen Koordinaten in Winkelkoordinaten erfolgt.
Wenn unser Gaußscher 2D-Strahl den Beugungsspalt kreuzt, wird das Gaußsche Muster in zwei Scheiben "geschnitten". Was mit diesen einzelnen Scheiben unseres Strahls passiert, ist, dass ihre transversale Position besser als zuvor aufgelöst wird, sodass sich ihr transversaler Impuls ausbreiten muss (andernfalls würden sie die Heisenbergsche Unschärfeungleichung verletzen).
Eine Zunahme der Unsicherheit einer Variablen nach einer Messung scheint der Erhaltung der Variablen zu widersprechen, aber dies kommt von der Idee, dass Photonen entlang der Flugbahn existierten, und alles deutet auf dieses Bild eines Photons hin wie ein kleiner Punkt, der entlang einer Flugbahn Impuls trägt ist irreführend und falsch
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