Wie wandert ein Photon durch Glas?

Diese Frage ist schwierig zu beantworten, da es in vielerlei Hinsicht keinen Sinn macht, von einem bestimmten Weg zu sprechen, dem ein einzelnes Photon folgt. Die Quantenmechanik ist von Natur aus probabilistisch, also können wir nur über die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Ergebnisse über viele wiederholte Experimente mit identisch vorbereiteten Anfangszuständen sprechen. Alles, was wir messen können, ist so etwas wie die durchschnittliche Laufzeit einer großen Anzahl einzelner Photonen, die nacheinander einen Glasblock passieren.

Die Übertragung von Licht durch ein Medium ist im klassischen Sinne einfacher zu erklären, wo man sich den Lichtstrahl als eine Welle vorstellt, die Schwingungen in den atomaren Dipolen antreibt, aus denen das Material besteht. Jedes Atom strahlt dann seine eigenen Wellen mit der gleichen Frequenz, aber leicht phasenverschoben, wieder aus. Die Summe der Anfangswelle und der zurückgestrahlten Welle ist eine Welle, die der ankommenden Welle ein wenig hinterherhinkt, was die reduzierte Geschwindigkeit erklärt. Ein Lichtstrahl, der in einen Materialblock eintritt, neigt dazu, in der gleichen Richtung weiterzulaufen, da vorwärts gestreutes Licht von jedem einzelnen Atom dazu neigt, konstruktiv mit vorwärts gestreutem Licht von anderen Atomen im Material zu interferieren, während seitlich gestreutes Licht meistens destruktiv interferiert. und hebt auf.

Wenn Sie dieses Bild auf das Quantenregime übertragen, würden Sie sagen, dass ein einzelnes Photon, das in das Material eintritt, möglicherweise von jedem der Atome, aus denen die erste Schicht des Materials besteht, absorbiert und wieder emittiert wird. Da wir jedoch nicht direkt messen können, welches Atom die Absorption durchgeführt hat, behandeln wir die Situation mathematisch als eine Überlagerung aller möglichen Ergebnisse, nämlich, dass jedes der Atome das Photon absorbiert und dann wieder emittiert. Dann, wenn wir zur nächsten Schicht des Materials kommen, müssen wir zuerst alle Wellenfunktionen entsprechend allen möglichen Absorptionen und Reemissions addieren, und wenn wir das tun, finden wir das, genau wie im klassischen Wellenfall, Das wahrscheinlichste Ergebnis ist, dass das Photon in die gleiche Richtung weitergeht, in die es ursprünglich gegangen ist. Dann wiederholen wir den Vorgang für alle Atome in der zweiten Schicht und der dritten,

In jeder gegebenen Schicht ist die Wahrscheinlichkeit, von einem einzelnen Atom absorbiert und dann wieder emittiert zu werden, ziemlich gering, aber es gibt eine große Anzahl von Atomen in einem typischen Festkörper, also stehen die Chancen gut, dass das Photon während der Schicht absorbiert und wieder emittiert wird Durchgang durch das Glas sind sehr gut. Somit wird das Photon im Durchschnitt relativ zu einem verzögert, das eine gleiche Vakuumlänge durchläuft, was zu der niedrigeren beobachteten Übertragungsgeschwindigkeit führt.

Natürlich ist es nicht möglich, den genauen Weg eines Photons zu beobachten – das heißt, von welchen spezifischen Atomen es gestreut wurde – und wenn wir versuchen würden, eine solche Messung durchzuführen, würde dies den Weg des Photons in einem solchen Ausmaß verändern als völlig nutzlos. Wenn wir also über die Übertragung eines einzelnen Photons durch ein brechendes Material sprechen, weisen wir dem Photon eine Geschwindigkeit zu, die die Durchschnittsgeschwindigkeit ist, die aus vielen Realisierungen des Einzelphotonenexperiments bestimmt wurde, und gehen von dort aus.