Wie interagieren quantisierte Photonen in einem Interferometer?

Da Licht in Photonen quantisiert wird, wie kann ein einzelnes seltenes Photon, das auf eine Seite eines großen, [sagen wir 100 Meter breiten] Interferometers von einem sehr schwachen Stern eintritt, ein Phton, das sich möglicherweise nur für etwa eine Mikrosekunde im Interferometer befindet "interferieren" mit irgendetwas, das genau im selben Moment auf der anderen Seite des Interferometers eingedrungen ist?? Interferiert das Photon, das noch in seiner Wellenpaketform ankommt, einfach mit sich selbst? Das würde bedeuten, dass das quantisierte Wellenpaket, anders als das submikroskopische Photonenteilchen, das schließlich "kollabiert" und auf der CCD-Kamera aufgezeichnet wird, mindestens so breit sein muss wie die getrennten Teleskopeingänge des Interferometers, wenn nicht sogar so breit als Grenze der gesamten Sphäre des Universums, die die Quelle der Welle in der gleichen Entfernung wie das Interferometer umgibt; etwas, das mir sicherlich als absurd erscheint !! Wie also ist eine solche Interferenz und damit die enorm verbesserte Winkelauflösung selbst sehr schwacher Quellen, deren Photonen im Laufe der Zeit möglicherweise nur gelegentlich eintreffen, tatsächlich möglich??

Interferometrische Experimente mit einzelnen Photonen sind eine Sache (in der Tat mussten die Leute lernen, wie man diese durchführt, bevor sie all die schicken Delayed-Choice-Experimente und Bells Ungleichheitsexperimente durchführen konnten, die Diskussionen über Verschränkung antreiben). Das QM-Buch von Townsend enthält in den ersten Kapiteln eine Reihe von Referenzen, aber mein Exemplar befindet sich in einem anderen Zustand.
Für weniger zweideutige Fälle von Einzelteilchen-Selbstinterferenz können Sie einige Literatur über Neutroneninterferometer lesen . Die Neutronenstrahlen, die Interferometer speisen, neigen zu einer recht geringen Intensität, und in einem langen Experiment, in dem sehr viele Neutronen ein Interferenzmuster aufbauen, kann es gut sein, dass die erwartete Anzahl von Malen, dass jemals zwei verschiedene Neutronen im Interferometer vorhanden waren gleichzeitig war weniger als einmal.
Vielen Dank für Ihre Hilfe in dieser Angelegenheit. Ich werde versuchen, mir ein Exemplar von Townsends Buch zu besorgen und mich auch über Neutroneninterferometer informieren. Das Problem zweier gleichzeitig eintreffender Wellenpakete stellt sich als Ablenkungsmanöver heraus, da das Wellenpaket in der Lage ist, sich selbst zu stören. Aber das lässt zumindest für mich immer noch das große Rätsel, wie ein einzelnes winziges Photonen-Wellenpaket noch über Hunderte von Metern im Optischen und Hunderttausende von Kilometern wahrnehmbar sein kann. im Funkspektrum genug, um ein Interferenzmuster zu verursachen.

Antworten (2)

Ihre Intuition ist richtig: Jedes Photonen-Wellenpaket ist überall verteilt – sogar viel breiter als die Öffnung des Teleskops. Das Photon interferiert mit sich selbst. Eine Suche nach Artikeln zum Thema „Einzelphotoneninterferenz“ hilft weiter.

Das ist sehr hilfreich, aber es beruhigt mich trotzdem nicht wirklich, denn selbst wenn das Pohton-Wellenpaket auf beiden Seiten des Interferometers gleichzeitig eintritt und dann erst eine Mikrosekunde später als Teilchen auf das CCD-Array kollabiert, bleibt immer noch etwas übrig Das Problem, das Sie mit Ihrer Behauptung beschönigen, dass das "Photonen-Wellenpaket überall verteilt ist - sogar viel breiter als die Öffnung des Teleskops". Aber WIE weit ist es verbreitet? Es scheint mir, dass ein einzelnes Photonenwellenpaket kaum noch robust genug sein könnte, um über sagen wir Tausende von Kilometern mit sich selbst zu interagieren, wie bei Funkstörungen.
Übrigens, wenn man nachschaut, auf welcher Seite des Interferometers das Photon eingetreten ist, verschwindet das Interferenzmuster einfach wie beim Doppelspaltexperiment. Ich nehme an, es muss. Warum wird außerdem die Winkelauflösung durch den Interferenzprozess erhöht? Stellen Sie sich ein Teleskop mit großer Apertur mit einer Maske darüber vor, aber für vier kleine 2-Zoll-Kreise, die auf jeder Seite des Tubus gleichmäßig beabstandet sind. Wenn man nun durch das Zielfernrohr schaut, wenn es so maskiert ist, sollte die Auflösung so gut sein, als würde man durch das Teleskop sehen ganze Bandbreite entlarvt Aber wie ist so etwas Erstaunliches möglich?
Die Wellenpaketamplitude eines Photons ist tatsächlich extrem klein, wenn es ein Teleskop von einem Milliarden Lichtjahre entfernten Stern erreicht. Die quadrierte Amplitude repräsentiert jedoch die Wahrscheinlichkeit (Dichte) der Interaktion oder Detektion. Feuern Sie ein Photon vom Stern ab, berechnen Sie die Amplitude der Wellenfunktion an einem Detektor, quadrieren Sie die Amplitude, integrieren Sie über die Fläche des Detektors, und das ergibt die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon von diesem Detektor erfasst wird. Die Wahrscheinlichkeit ist extrem gering, so dass es lange dauert, ein Bild eines entfernten Objekts zu erzeugen.

Ja, während Sie schreiben, kann ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren.

Die Wellenfunktion beschreibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der räumlichen Position des Photons (und anderer Eigenschaften) für den gesamten Raum.

Nun ist in Ihrem Fall das Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit an einer bestimmten Seite des Interferometers zu finden, sagen wir, das wäre der Punkt, an dem das Photon als Teilchen mit dem Metallgitter der Antenne wechselwirken und von einem absorbiert werden würde Atom im Gitter.

Nun ist es ein Irrtum zu glauben, dass sich das Photon auf einem geraden (räumlichen 3D) Weg von der Quelle zu diesem Interaktionspunkt bewegt hat. Das Photon bewegt sich in Wirklichkeit als Welle, und die Verteilung seiner räumlichen Position wird durch die Wellenfunktion für den gesamten Raum beschrieben.

In Ihrem Fall würde Ihnen die Wellenfunktion eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür geben, dass sich das Photon in der Nähe dieses Punktes auf einer Seite des Interferometers befindet. Aber die Wahrscheinlichkeit, das Photon auf der anderen Seite des Interferometers zu finden, ist nicht 0. Tatsächlich ist es nirgendwo im Raum 0. Das Photon ist (wie die andere Antwort andeutet) überall mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten im Raum verteilt.

Wenn sich das Photon als Welle ausbreitet und das Interferometer erreicht, interagieren die Teilwellen mit sich selbst und erzeugen ein einzelnes Photon-Interferenzmuster. Wenn Sie das Interferometer durch einen Bildschirm ersetzen, erhalten Sie helle Bereiche, in denen die Interferenz konstruktiv war, und dunkle Bereiche, in denen die Interferenz destruktiv war.

Sie sagen, dass das Photon nur für eine Mikrosekunde im Interferometer ist, und wie kann etwas im selben Moment auf der anderen Seite des Interferometers stören. Nun, das erklärt sich zum Teil dadurch, dass sich das Photon als Welle ausbreitet und Teilwellen das Interferometer überall gleichzeitig stören.

Es ist ein Irrtum, sich das Photon als ein weiteres Teilchen vorzustellen, das eine Ruhemasse hätte und die Zeit wie wir erfahren würde. Das Photon hat keine Ruhemasse, kein Ruhesystem, und Sie können nicht darüber sprechen, was passiert, wenn Sie sich im System des Photons befinden und sich mit ihm bewegen. Es gibt keinen solchen Rahmen. Das Photon bewegt sich in der räumlichen Dimension mit Geschwindigkeit c (im Vakuum, lokal gemessen) und in der zeitlichen Dimension mit Geschwindigkeit 0. Es erfährt keine Zeit wie wir. Wir haben eine Ruhemasse, und wir (oder ein anderes Teilchen mit Ruhemasse) bewegen uns in der Zeitdimension mit einer Geschwindigkeit > 0. Wir bewegen uns also in der räumlichen Dimension mit einer Geschwindigkeit kleiner als c. Nun erlebt das Photon die Zeit nicht so wie wir, man könnte sagen, dass es die gesamte Zeitdimension in einem sieht, aber in Wirklichkeit weiß es niemand.

Was Sie sagen können, ist, dass das Photon (wenn es einen Rahmen gäbe, in den Sie mit dem Photon gehen würden) von der Quelle zum Wechselwirkungspunkt (Absorption) in 0 Raumzeitentfernung wandert. Man könnte sagen, dass der Weg, den das Photon zurücklegt, lichtähnlich ist.

OK, danke für diese weitere Erklärung, die ich glaube, vollständig verstanden zu haben. Aber das eigentliche Problem, das ich habe, ist, wie auch in meiner letzten Antwort oben erwähnt, dass ich nicht glauben kann, dass ein einzelnes winziges Photon möglicherweise genug Energie tragen könnte, insbesondere bei Radiowellenlängen, damit sein Wellenpaket erkennbar ist, geschweige denn nutzbar für die Interferometrie, über so große Entfernungen. Ich weiß, dass "theoretisch" immer noch ein Teil der Wellenfunktion vorhanden sein muss, egal wie weit man das Interferometer aufteilt, aber es scheint, dass die Funktion nach einer bestimmten Entfernung auf Null abgefallen wäre
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