Wie feuert die Lichtquelle im Doppelspaltexperiment ein einzelnes Photon ab?

Ich glaube, hier herrscht ein wenig Verwirrung. Das Doppelspalt-Experiment wurde nicht mit „einzelnen Photonen“ durchgeführt – es ist sehr schwer, sich vorzustellen, was das bedeuten würde. Im Grunde ist es ein Gedankenexperiment, und es ist nicht wirklich möglich, ein reales Gerät herzustellen, das es testet.

Das erste Experiment mit niedriger Intensität (Taylor 1909) stellte die EM-Feld-Interpretation von Photonen in Frage – die Idee war, dass, wenn Photonen lokalisierte Konzentrationen des EM-Felds wären, es keine Photonen geben würde, die sich gegenseitig stören könnten, wenn Sie die Intensität verringern. und das Beugungsmuster würde verschwinden. Als das Experiment so niedrig intensiv war, dass Taylor nicht zwischen emittierten und absorbierten Photonen unterscheiden konnte, stellte er fest, dass das Beugungsmuster immer noch vorhanden ist, sodass die Photonen nicht nur lokalisierte Konzentrationen des EM-Felds sein können. Dirac hatte eine andere Erklärung – er ging davon aus, dass jedes einzelne Photon in der Lage sei, mit sich selbst zu interagieren.

Später wurden die Experimente nicht mit Licht, sondern mit Elektronen wiederholt. Elektronen sind viel bequemer als Photonen, da sie dem Pauli-Prinzip gehorchen: Es macht viel mehr Sinn zu sagen "ein Elektron hier, ein Elektron dort". Und Sie können einzelne Elektronen emittieren, was erstmals 1974 getestet wurde, und es wurde festgestellt, dass einzelne Elektronen tatsächlich das gleiche Interferenzmuster zeigen . Später wurde festgestellt, dass das gleiche Muster auch für Atome und komplexe Moleküle auftritt (der aktuelle "Weltrekord" hat das Experiment mit einem Molekül mit mehr als 800 Atomen bei ~10 000 Atomgewichten durchgeführt; das Experiment wird viel schwieriger, je größer es ist "Partikel", da es viel mehr Präzision erfordert). Aber wir bleiben bei den Elektronen, da sie recht praktisch sind.

Die Emission einzelner Elektronen ist immer noch ziemlich knifflig, aber sie haben ein paar wichtige Eigenschaften. Sie tragen eine Ladung und sie haben Masse. Beides kann gemessen werden, und obwohl dies das Elektron stört (seine Flugbahn ändert), absorbiert es es nicht. Photonen hingegen werden von jeder Messung absorbiert, was den Umgang mit ihnen schwierig macht.

So können Sie auf einzelne Elektronen genau messen, wie viele Elektronen von Ihrem Emitter emittiert und wie viele auf der Detektionsfläche absorbiert wurden. Noch wichtiger ist, dass man damit experimentieren kann, was passiert, wenn man die Elektronen auf dem Weg zwischen Emitter und Detektor misst – und dann kommen echte Quantenphänomene ins Spiel.

Welchen Weg nimmt das Elektron durch den Doppelspaltapparat? Wenn Sie bereits in der Denkweise der modernen Quantenphysik sind, macht die Frage keinen Sinn (und mit modern meine ich immer noch die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts :). Aber wie wir gesehen haben, können Elektronen unterwegs gemessen werden, was also, wenn wir Detektoren an den beiden Schlitzen anbringen? Nun, wenig überraschend für die beteiligten Personen, verschwindet das Muster vollständig (dies wurde von Feynmann und anderen vorhergesagt, lange bevor das eigentliche Experiment 1961 durchgeführt wurde). Was noch interessanter ist (und immer noch im Voraus vorhergesagt wird), zerstört auch das Platzieren der Detektoren hinter den beiden Schlitzen das Muster.

Aber das ist wirklich eine Sache für eine ganz andere Frage. Im Kern lautet die Antwort auf Ihre Frage: "Das vollständige Experiment kann nicht mit Licht durchgeführt werden und wurde nie mit Licht versucht". Das Beste, was versucht wurde, war, die Intensität des einfallenden Lichts so weit zu reduzieren, dass die Energie einem Photon einer bestimmten Energie entsprach – durch Hinzufügen von Distanz und Barrieren im Lichtweg. Aber wir kennen keine Möglichkeit, einzelne Photonen zu emittieren oder sie mit Sicherheit nachzuweisen oder ihre Wege zu messen – und es kann durchaus unmöglich sein, nicht nur undurchführbar. Nun, das allein reicht schon aus, um die duale Theorie des Lichts zu diskreditieren (es sei denn, Sie halten sich an Diracs Behauptung), aber das eigentliche Experiment wurde mit einzelnen Elektronen durchgeführt, und fuhr mit immer größeren Quantenteilchen fort, bis hin zu dem 800+-Atom-Monster, das ich zuvor erwähnt habe.

Ein Lichtstrahl ist nicht wie ein Schwarm von Photonen, die durch den Weltraum fliegen – die Beziehung zwischen Lichtstrahlen und Photonen ist etwas komplizierter. Dies wird in Was ist die Beziehung zwischen elektromagnetischer Welle und Photon? obwohl eine richtige Diskussion erfordert, tiefer in das Thema der Quantenoptik einzusteigen, das viele von uns für vernünftig halten.

Wie auch immer, das Photon ist im Grunde die Einheit des Energieaustausches mit dem Lichtstrahl, dh wenn die Leistung des Lichtstrahls ist$W$Joule pro Sekunde, dann ist die Anzahl der pro Sekunde emittierten Photonen diese Leistung dividiert durch die Energie pro Photon:

Die Laufzeit des Lichts ist$\tau = \ell/c$, wo$\ell$ist die Länge des Lichtstrahls in Ihrem Experiment. Um also nur ein Photon auf einmal zu haben, müssen Sie die Anzahl der Photonen pro Sekunde in Ordnung bringen$1/\tau$.

Und das Auflösen nach der Potenz ergibt:

Das ist alles, was Sie tun müssen. Machen Sie Ihre Lichtstrahlleistung gleich oder kleiner als$W$wie oben berechnet und Sie haben immer nur ein Photon zur Zeit.

Sie können eine einzige Photonenquelle verwenden , so dass sich (nachweislich) immer nur ein Photon im System befindet. Dies sind quantenmechanisch Einzelphotonen-Emitter, im Unterschied dazu, nur die Intensität einer Quelle zu verringern, die zufällige Photonen emittiert.

Ein praktisches Beispiel ist das Stickstoffleerstellenzentrum in Diamant . Ein einzelnes NV-Zentrum hat nur eine Erregung und kann daher bei jeder Erregung nur ein einziges Photon emittieren.

Da das Experiment so ineffizient ist (nur sehr wenige Photonen schaffen es tatsächlich durch die Schlitze), ist es schwierig, ein schönes Papier zu finden, das es direkt zeigt. Es gibt jedoch viele ähnliche Experimente, die diese Quellen (Beispiel) für Dualitätsexperimente verwenden.

Sie reduzieren die Energie der Quelle so lange, bis die Anzahl der auf den Bildschirm auftreffenden Photonen klein genug ist, um eines nach dem anderen zu zählen. Der einfachste Weg für mich, ein Schlitzexperiment durchzuführen, ist mit Gitarrensaiten und einem Laser. Es ist wirklich einfach, wenn Sie einen Laser auf eine Saite richten. So hat Young es zum ersten Mal gemacht, als er ein einzelnes menschliches Haar verwendet hat. Das Licht wird sich um die Kanten der Schnur wickeln und ein Streifenmuster auf der entfernten Wand erzeugen.