Wie weit kann man ein Photon zurückverfolgen?

Sie haben eine Photomultiplier-Röhre, die auf einen fernen Stern gerichtet ist, der genau 100 Lichtjahre entfernt ist. Es ist perfekt eingerichtet, damit nichts in die Röhre gelangen kann, es sei denn, es kommt von diesem Stern. Ungefähr jede Stunde ertönt ein Klick im Detektor.

Jedes Mal, wenn Sie ein Klicken hören, sind Sie berechtigt zu sagen, dass vor genau 100 Jahren ein Photon von diesem Stern emittiert wurde?

Oder genauer gesagt: Nehmen wir an, Ihre Photomultiplier-Röhre ist vorgefiltert, sodass sie praktisch nur auf einen bestimmten willkürlichen atomaren Übergang anspricht, sagen wir etwas im Kaliumspektrum. Wenn Sie das nächste Mal ein Klicken hören, sind Sie berechtigt zu sagen, dass vor genau 100 Jahren ein bestimmtes Kaliumatom auf diesem Stern diesen bestimmten Übergang von höherer zu niedrigerer Energie vollzogen hat?

Wenn ich die Frage stelle, glaube ich natürlich nicht, dass Sie diese Verbindung herstellen dürfen. Aber ich frage mich, was die Leute denken?

EDIT: Wir können die Frage noch etwas schärfen, wenn wir uns zum Beispiel die Korona der Sonne ansehen. Wie Wikipedia erklärt,

Die Fraunhofer-Linien sind typische spektrale Absorptionslinien. Diese dunklen Linien werden immer dann erzeugt, wenn sich ein kaltes Gas zwischen einer Breitspektrum-Photonenquelle und dem Detektor befindet. In diesem Fall wird eine Abnahme der Lichtintensität in der Frequenz des einfallenden Photons beobachtet, wenn die Photonen absorbiert und dann in zufällige Richtungen wieder emittiert werden, die meistens in andere Richtungen als die ursprüngliche Richtung verlaufen. Dies führt zu einer Absorptionslinie, da das schmale Frequenzband des Lichts, das sich ursprünglich zum Detektor bewegt, in Wärme umgewandelt oder in andere Richtungen wieder emittiert wurde. Sieht der Detektor dagegen Photonen, die direkt von einem glühenden Gas emittiert werden, dann sieht der Detektor oft Photonen, die durch Quantenemissionsprozesse in Atomen im heißen Gas in einem schmalen Frequenzbereich emittiert werden, was zu einer Emissionslinie führt. In der Sonne,

Wenn wir direkt in die Sonne schauen, sehen wir Absorptionslinien, aber ich möchte nach Emissionslinien suchen. Schauen wir uns also die Korona der Sonne an; und lassen Sie uns unseren Photomultiplier mit geeigneten Filtern und was auch immer einrichten, damit wir mit 90%iger Sicherheit sagen können, dass ein Klicken im Detektor von einem bestimmten Kaliumatom-Übergang in der Korona kam. Dann ist die Frage vollkommen klar: Wenn wir ein Klicken hören, können wir (mit 90%iger Sicherheit) sagen, dass vor genau 8 Minuten ein bestimmtes Kaliumatom einen Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Energieniveau vollzogen und dabei ein Photon emittiert hat. .das exakt gleiche Photon, das gerade in unserem Photomultiplier eingefangen wurde?

Ich denke, die Frage ist ziemlich klar, und meine Antwort ist natürlich: Nein. Und ich denke, die Leute, die ja sagen, sind die gleichen Leute, die sagen würden, dass beim Zweispaltexperiment das Photon entweder durch einen Spalt gegangen sein muss oder der andere. Oder die Leute, die sagen, dass beim Stern-Gerlach-Experiment das Silberatom in dem Moment, in dem es das Magnetfeld passiert, entweder in den Spin-up- oder den Spin-down-Zustand springt.

Ich frage mich, was die Leute darüber denken.

A) Warum jede Stunde? Jeden 10 − etwas sehr Großes Sekunden ist eher so. B) Es ist unmöglich, Außengeräusche zu eliminieren. C) Partikel bewegen sich nicht unbedingt in geraden Linien – eine gerade Linie ist einfach der wahrscheinlichste Weg. Siehe das . Ich würde das in eine Art Antwort packen, aber ich denke, jemand, der qualifizierter ist als ich, kann es viel besser organisieren als ich und kann es besser erklären.
Können Sie erklären, warum Sie nicht sicher sind, ob dies möglich ist? So wie Sie die Frage gestellt haben, klingt es, als wäre die einzige logische Schlussfolgerung, dass vor 100 Jahren ein atomarer Übergang von Kalium an diesem Stern stattgefunden hat. Je nachdem, wo es beim Start passierte, gab es ein wenig Unsicherheit über den Zeitpunkt.
Wie schlagen Sie vor, sicherzustellen, dass Ihre Röhre zwischen Photonen unterscheiden kann, die von diesem bestimmten Stern emittiert werden, und nicht zwischen Punkten (z. B. durch Reflexion an einem Staubkorn)? Aus rein optischer Sicht benötigen Sie meines Erachtens ein Abbildungssystem von der Größe unseres Sonnensystems, um die Entfernung zu bestimmen, aus der das Photon stammt (über Defokussierung oder einen Entfernungsmesser).

Antworten (2)

Dies ist ein perfektes Beispiel für den Kollaps der Wellenfunktion. Das „Kalium“-Atom macht einen Übergang von höherer Energie zu niedrigerer Energie und sendet eine kugelförmige Wellenfront ins Universum. Hundert Jahre später durchquert diese sphärische Wellenfront die Photomultiplier-Röhre. Da sich die Energie dieser Welle über Hunderte von Quadratlichtjahren verteilt, gibt es nur eine Chance von einer Gazillion, dass sie eingefangen wird und ein Klicken verursacht, das zu hören ist. Aber es gibt Millionen von Kaliumatomen in diesem Stern, die etwa jede Stunde Billionen von Photonen aussenden. Da (1 jillion) x (1 trillion) = 1 gazillion, ist das Ergebnis, dass Sie ungefähr jede Stunde einen Klick im Detektor hören. DAS ist der Kollaps der Wellenfunktion, und er geschieht im Moment der Detektion.

Oder doch? Es scheint, dass die Zweifler da draußen wollen, dass die Wellenfunktion zweimal zusammenbricht ... einmal am Emissionspunkt und noch einmal am Erfassungspunkt. Im Wellenbild ... und das ist wohlgemerkt das quantenmechanische Wellenbild ... hat die Emission von Photonen durch einen Kaliumübergang eine charakteristische Linienbreite, die mit einer endlichen Emissionszeit verbunden ist - mit anderen Worten, ein Wellenzug. Dieser Wellenzug überlappt sich mit den Wellenzügen von Millionen anderer Kaliumatome im Stern und erzeugt eine kontinuierliche Ausgabe. Die Welle am Fotodetektor enthält Beiträge von all diesen Millionen von Kaliumemissionen. DAS ist die Welle, die zu einem Photon "kollabiert" und ein Klicken im Fotodetektor verursacht.

Aber diese Welle kann nicht zurückverfolgt und mit einem bestimmten Emissionsereignis auf dem Stern in Verbindung gebracht werden. Oder kann es? Wenn Sie glauben, dass dies möglich ist, dann sagen Sie wirklich, dass die Wellenfunktion zweimal zusammenbricht ... einmal am Emissionspunkt und einmal am Erfassungspunkt.

Ich denke nicht, dass das richtig ist.

Das ist falsch: „Das „Kalium“-Atom macht einen Übergang von höherer Energie zu niedrigerer Energie und sendet eine kugelförmige Wellenfront in das Universum aus. Hundert Jahre später kreuzt diese kugelförmige Wellenfront die Photomultiplier-Röhre. Da wird die Energie dieser Welle verteilt über Hunderte von Quadratlichtjahren." Die quantenmechanische Lösung der Übergangsamplitude ergibt eine WAHRSCHEINLICHKEIT, das Photon bei (x,y,z) zum Zeitpunkt t des Detektors zu finden. Die Energie wird nicht verteilt. Es kommt in einem Energiequantum, das ein Kaliumatom auf das analoge Niveau anregt, das es verlassen hat.
Es scheint, als würde ich sagen, dass es kein Photon wurde, bis es in den Detektor eintrat, und Sie sagen, es war ein Photon von dem Moment an, als es das Kaliumatom verließ.
Ich verwende die quantenmechanische Standardinterpretation, die Emissions- und Detektionswahrscheinlichkeiten zuordnet, und sicherlich wird keine Energie bei irgendeinem Zerfall über das ganze Universum verteilt.
Wenn keine Energie verteilt ist, muss die Energie konzentriert werden. Und in Ihrer „Standard-Quantenmechanik“ haben wir lokale Energieerhaltung, was bedeutet, dass die Energie irgendwo sein muss. Sie sagen also, das Photon existierte von dem Moment an, als es das Kaliumatom verließ. Ich nehme an, Sie sagen, wenn es auf dem Weg auf einen Doppelschlitz gestoßen ist, muss es entweder durch den einen oder den anderen Schlitz gegangen sein.
Ja für den Doppelschlitz. Schauen Sie sich diese kosmischen Gammastrahlen an mpa-garching.mpg.de/lectures/ADSEM/WS0203_Obergaulinger.pdf . Auch Gammastrahlen sind Photonen.
Dann streiten Sie mit Richard Feynmann, nicht mit mir. Ich habe mehr oder weniger zitiert, was er „Proposition A“ (Bd. 3, Kapitel 1-5 in den Feynmann-Vorlesungen) nennt … genau die Proposition, die er schlussfolgert, ist falsch. Laut Feynmann stimmt es einfach nicht, dass das Photon entweder durch den einen oder den anderen Spalt gegangen sein muss.
Ich sollte das abklären. seither gibt es "in welche Richtung"-Experimente, die zeigen, wie wichtig die Randbedingungen der Spalte sind. Es ist die Gesamtlösung Photon+Spalte als Randbedingungen. Bei minimaler Störung wird die Störung nicht zerstört, wenn der Spalt bekannt ist. Jedenfalls bin ich mir sicher, dass Feynman von Wellenfunktionen spricht, dh von Wahrscheinlichkeiten, und nicht von Masse und Energien im Raum.

Es gibt die KISS-Regel (Keep it simple stupid), und ich werde es tun.

Nehmen wir ein angeregtes Kaliumatom und lösen die Schrödinger-Gleichung für die verfügbaren Übergänge. Dies ergibt für dieses Atom eine Wellenfunktion, im Prinzip von -unendlich bis +unendlich in Raum und Zeit. Das Quadrat dieser Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass ein Photon zum Zeitpunkt t auf einen bestimmten Bereich fällt, der bei einem bestimmten (x,y,z) zentriert ist. Eine Wahrscheinlichkeit .

Die Übergangsenergie ist quantisiert und kommt als Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik mit der entsprechenden Frequenz, um ein anderes Kaliumatom auf dieses Energieniveau anzuregen.

Wenn zwei Kaliumatome im Abstand von 100 Lichtjahren und nichts dazwischen existierten, besteht immer noch eine Wahrscheinlichkeit, das aus der Richtung des sendenden Kaliumatoms kommende Photon innerhalb der Öffnung des Detektors zu identifizieren.

Wenn ein Stern an dem Ort existierte, an dem die Koordinaten vorliegen sollten, und der Stern sich nicht in Bezug auf die Erde bewegte und es keine Ausdehnung des Weltraums und keine Gravitationsquellen in der Richtung gab, die das Photon nehmen müsste, wäre die Wahrscheinlichkeit sehr sehr gering. aber der Stern hat Millionen von Kaliumatomen, und wir würden wissen, dass dieses Kaliumphoton von diesem Stern stammte, indem wir die Erregung detektierten, 100 Jahre brauchten, um anzukommen, und den Standort des Sterns aus dem allgemeinen Licht des Sterns kennen. Auf diese Weise werden Röntgen- und Gammastrahlen bestimmten Orten am Himmel zugeordnet.

Meine Antwort ist also, dass Sie wissen würden, dass "ein" Kaliumatom abgeregt ist und ein Photon auf diese Weise gesendet hat. Photonen sind Elementarteilchen, so real wie die Protonen der kosmischen Strahlung oder andere Teilchen, die aus dem Weltraum kommen.

Jetzt sind Spektrallinien aus 100 Lichtjahren Entfernung rot- oder blauverschoben, abhängig von der relativen Bewegung des emittierenden Körpers, so messen wir Sterngeschwindigkeiten, also wird im wirklichen Leben das Spektrum verschoben und die Kaliumatome im Detektor nicht angeregt, würde ein Beugungsgitter verwendet werden, um die Frequenzen des einfallenden Lichts zu sehen und ob es Kaliumlinien gibt (obwohl ich den Eindruck habe, dass man bei höheren Ordnungszahlen als Wasserstoff Absorptionslinien sieht).

Sie beginnen damit, dass Sie sagen, dass Sie es einfach halten werden, aber dann werfen Sie so viele irrelevante Komplikationen ein, dass Ihre Antwort so gut wie unverständlich ist. Lassen Sie mich die Dinge auflisten, die Sie ansprechen, die nichts mit der Frage zu tun haben: die Bewegung des Sterns relativ zur Erde, die Ausdehnung des Weltraums, die Existenz von Gravitationsquellen (?), die Rotverschiebung, die Blauverschiebung und die Standardmodell. Und warum haben Sie ein zweites Kaliumatom ... und warum glauben Sie, dass sich Kaliumatome im Inneren des Detektors befinden? Und wie „sieht“ man eine Absorptionslinie mit einem Photomultiplier?
Ich beantworte die Frage. Der Fragesteller hat Kaliumakzeptoren in den Detektor gesetzt. Für optisches Licht braucht man keinen Photomultiplier. Die Akkumulation von Photonen zeigt Absorptions- und Emissionslinien. Emissionswerte (wie in Frage) ändern sich aufgrund von Rotverschiebung oder Blauverschiebung und können nicht mit dem Kalium übereinstimmen, das der Fragesteller im Detektor wünscht coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/cosmic_reference/… . Das Standardmodell betont, dass das Photon ein Teilchen ist.
Ach komm schon. Macht Ihr Kaliumatom ein hörbares Klicken, wenn es ein Photon von dem fernen Stern absorbiert?
Es könnte einen sichtbaren Punkt auf einem Film machen, wie bei Einzelphotonenmustern, wenn ich klug genug wäre und genug physikalische Chemie verstünde, um einen solchen Film mit einem Kaliumgehalt zu entwerfen. Dies war nicht der Sinn der Frage. Ich nahm an, ich könnte.
Wie weit kann man ein Photon zurückverfolgen?
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