Wie verhält sich ein einzelnes Photon bei der Ausbreitung durch Glas?

Jedes Photon ist als Welle beschreibbar, bis es detektiert wird. Die Welle wird tatsächlich an jedem Atom oder Elektron im Glas gestreut, von wo aus sie in alle Richtungen gestreut wird. Aber die verstreuten Teile der Welle addieren sich alle kohärent und formen schließlich immer wieder die ursprüngliche Welle neu, bis die Welle das Glas verlässt. Das Quadrat der Welle repräsentiert eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Stromabwärts kann ein Detektor das Photon zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort detektieren. Aber wenn das Experiment immer und immer wieder durchgeführt wird, werden die Detektionszeit und der Ort des Photons variieren. Wenn Sie alle Detektionsorte und -zeiten kartieren, erhalten Sie eine Verteilung von Detektionsereignissen, die der Intensitätskarte einer Lichtwelle entspricht, die eine große Anzahl von Photonen enthält.

Dieses Prinzip wurde vielfach auf unterschiedliche Weise demonstriert und ist eine der experimentellen Grundlagen der Quantenmechanik. Hier ist ein lustiger Link zu einer Demonstration: Single Photon Young's Experiment. Es ist eine Variation des einfachen Doppelspalt-Interferometers .

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Ein Photon ist ein quantenmechanisches Punktteilchen in der Tabelle der Elementarteilchen, das hauptsächlich elektromagnetisch wechselwirkt.

Ein Lichtstrahl, der das Glas durchdringt, ist eine Überlagerung von Millionen von Photonen. Dadurch, dass Bilder und Farben erhalten bleiben, können die einzelnen Photonen nur elastisch am gesamten „Gitter“ des Glases gestreut werden. (Gitter in Anführungszeichen, weil Glas nicht so gut organisiert ist wie Kristalle)

Das heißt, das Photon interagiert mit dem gesamten Glas, das es durchdringt, als elastische Streuung, die die Phasen mit den anderen zig Millionen Photonen beibehält, so dass die Bilder mit minimaler Verzerrung übertragen werden können. Es ist nicht Absorption und Reemission , sondern eine spezifische quantenmechanische Wellenfunktion, die dies ermöglicht.

Das Doppelspalt-Einzelphotonenexperiment kann eine Intuition geben:

Die Streuung ist "Einzelphotonenstreuung an zwei Schlitzen mit gegebener Breite und gegebenem Abstand". Links erscheinen die einzelnen Photonen zufällig. Rechts baut die Häufung das klassische Lichtinterferenzmuster aus zwei Spalten auf, dh die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen ergibt das klassische Interferenzmuster.

Kennen Sie das Konzept in der Quantenmechanik, dass sich Teilchen in einer Überlagerung vieler Zustände gleichzeitig befinden? Wenn ein einzelnes Photon durch Glas wandert, befindet es sich in einer solchen Überlagerung. Das einzelne Photon besteht aus einem ganzen Lichtstrahl, der bei seiner Ausbreitung mit vielen Atomen gleichzeitig wechselwirkt (gemäß der klassischen elektromagnetischen Theorie). Nur wenn es eine "Messung" gibt (dh das Photon wird in einen Zustand absorbiert, der die Kohärenz zerstört), kollabiert die "Wellenfunktion" auf ein einzelnes Atom. Das Photon, das von einem einzelnen im Glas vergrabenen Atom absorbiert wird, würde dann den Weg einschränken, den das Photon nimmt, um dorthin zu gelangen. Ein Photon kann man sich nicht als Kugel vorstellen, die im Zickzack zwischen Glasatomen hin und her pendelt, denn dann könnte es beliebig lange dauern, bis es am Ziel ankommt. Eher, es muss sich mit Lichtgeschwindigkeit (geteilt durch den Brechungsindex) von Punkt zu Punkt bewegen, um die Reisezeit zu minimieren. NEIN; Es ist besser, sich Photonen überhaupt nicht als Kugeln vorzustellen. Alles, was es gibt, ist das elektromagnetische Feld. Ein Photon ist einfach die Manifestation eines einzelnen Energie-, Impuls- und Spinquantums, das von einem Ort zum anderen übertragen wird.