Wird ein einzelnes Photon als sphärische EM-Wellenfront emittiert? [Duplikat]

Die einzige Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung zu induzieren, besteht darin, subatomare Teilchen zu stören. Für die Emission eines Photons reicht es aus, dass in einem Atom ein (angeregtes) Elektron auf ein niedrigeres Niveau zurückfällt. Einmal emittiert, bewegt sich das Photon als Energiequant durch den leeren Raum. Das Photon ist während seiner Reise unteilbar. Daher könnte ein einzelnes Photon keine kugelförmige Wellenfront haben.

Die Summe der emittierten Photonen – etwa von einer Glühbirne – nennt man elektromagnetische Strahlung. Die Emission von einem Laser ist sehr stark gerichtet, von einer Glühlampe ist sie viel mehr kugelförmig gerichtet. Die Strahlung könnte also kugelförmig sein, egal ob dies von einer Glühbirne oder einem Stern stammt. Weit genug von der Quelle entfernt, würde man einzelne Photonen empfangen. Aber das ist keine Wellenfront.

Wie erlangt das Photon die Wellenhaftigkeit?

Eine Wellenfront könnte man mit Strahlungswellen erzeugen. Radiowellen werden durch periodische Beschleunigung von Elektronen im Antennenstab erzeugt.

Wie können sich mehrere Photonen zu einer einzigen Wellenfront synchronisieren?

Da diese Beschleunigung für alle beteiligten Elektronen nahezu synchron erfolgt, folgt die Anzahl der emittierten Photonen der Frequenz des Antennengenerators. Für Radiowellen könnte man also wirklich Welleneigenschaften messen (was bei einer mit Gleichstrom betriebenen Glühbirne nicht möglich ist). Aber auch hier empfängt man, wenn man weit genug von der Antenne entfernt ist, einzelne Photonen.

Wird ein einzelnes Photon als sphärische EM-Wellenfront emittiert?

Nein. Das Photon ist in den heutigen Theorien der Teilchenphysik, dh mathematischen Modellen, die zu den Daten passen, eines der elementaren Punktteilchen . Gemessen hat es nur eine Energie = h*nu, wobei nu die Frequenz der klassischen elektromagnetischen Welle ist, die aus einer großen Anzahl solcher Photonen hervorgeht.

Dies ist deutlich in der Einzelphotonenaufnahme des Zweispaltexperiments zu sehen :

Einzelphotonenkameraaufnahme von Photonen aus einem mit sehr schwachem Laserlicht beleuchteten Doppelspalt. Von links nach rechts: Einzelbild, Überlagerung von 200, 1.000 und 500.000 Bildern.

Der linke Rahmen zeigt einzelne Photonentreffer bei (x,y) als Punkte. Keine Kugelwelle. Die Wellennatur tritt bei der Datenakkumulation auf, dh in der Wahrscheinlichkeitsverteilung, ein Photon bei (x,y) zu finden. In der Quantenmechanik dreht sich alles um Wahrscheinlichkeitsverteilungen.

Wenn nicht, wie erlangt das Photon die Wellenhaftigkeit, wenn es nicht als Kugelwelle geboren wird? Wie können sich im zweiten Fall mehrere Photonen synchronisieren, um eine einzige Wellenfront zu bilden?

Die gezeigte Wahrscheinlichkeitsverteilung ist das komplex konjugierte Quadrat der Wellenfunktion, die das einzelne Photon beschreibt. Die Wellenfunktion ist eine Lösung einer quantisierten Maxwell-Gleichung und hat in ihrer komplexen Funktion die elektrischen und magnetischen Felder. Da zwischen dem klassischen Regime und dem quantenmechanischen Regime eine Kontinuität (Verwendung der Maxwell-Gleichung) besteht, sollte es nicht überraschen, dass die im klassischen Regime gemessenen Variablen in der Wellenfunktion des Photons im quantenmechanischen Regime enthalten sind.

Bei vielen Photonen entsteht das klassische Feld durch Überlagerung aller Photonen-Wellenfunktionen. Dies wurde in diesem Link in der Quantenfeldtheorie mathematisch behandelt .

Siehe auch diese Antwort von mir auf eine ähnliche Frage.