Woher wissen wir, dass Photonen Spin 1 haben?

Seltsamerweise liefern polarisierende Sonnenbrillen einen ziemlich soliden Beweis dafür, dass Photonen Spin 1 sind.

Das liegt daran, dass Sie Polarisatoren nur um 90 drehen$^\circ$, werden Sie feststellen, dass Sie Photonen in zwei sich gegenseitig ausschließende Populationen von Photonen zerlegen können. Das ist geometrisch nur möglich, wenn das betreffende Teilchen ein Vektorboson ist, also ein Spin-1-Teilchen.

Wenn Sie sich dagegen stattdessen Sorgen um "Elektronenblendung" durch entgegenkommende Spin-1/2-Elektronenstrahlung machen würden (bitte versuchen Sie das nicht zu Hause, ja?), müssten Sie stattdessen Ihre "Elektronenpolarisatoren" um 180 drehen$^\circ$um die beiden unterschiedlichen Elektronenpopulationen zu beobachten und vollständig zu isolieren. Beide dieser Polarisationsdetektorwinkel – 180$^\circ$für Teilchen mit Spin 1/2 und 90$^\circ$für Teilchen mit Spin 1 – sind tief mit den zugrunde liegenden Symmetrien der Teilchenspins verbunden und identifizieren so eindeutig die Spins dieser Teilchen.

Ich sollte jedoch auch anmerken, dass die Funktionsweise solcher Photonen-Polarisationszustände sehr merkwürdig ist. Man könnte es das „Missing State“-Problem nennen.

Im Gegensatz dazu sind Silberatome auch Spin 1 und haben praktischerweise magnetische Momente, die eine "leichte" Trennung ermöglichen. Wenn Sie beispielsweise drei aufeinanderfolgende Stern-Gerlach-Geräte verwenden, können Sie im Prinzip eine Population von Silberatomen in sechs (ja, ich sagte sechs, nicht drei) Populationen aufteilen, die geometrisch Atomen entsprechen, deren Spinachsen entlang ausgerichtet sind$\pm$X,$\pm$Y und$\pm$Z. Für ein einzelnes Silberatom kann die äußerst sorgfältige Verwendung derselben Anordnung im Prinzip räumlich isolierte Bruchteile der Wellenfunktion des Silberatoms erzeugen. Wenn dies erledigt ist, werden jedoch nicht mehr als drei der sechs "Halter" verwendet, einer entlang jeder Achse. Sie könnten zum Beispiel 71 % der Silberatom-Wellenfunktion im Stern-Gerlach-Halter +X, 55 % in -Y und 45 % in +Z haben. (Es ist eine Vektorsumme, also werden diese Prozentsätze als Vektorkomponenten addiert.)

Aber wo ist das vergleichbare Experiment für Photonen? Sie können sie sicher entlang horizontaler und vertikaler (oder X- und Y-) Polarisationen aufteilen. Aber da Sie ihre Ausbreitungsrichtung nicht stoppen können, wie können Sie diesen Aspekt des Trennungsprozesses handhaben?

(Hmm, merkwürdiger Gedanke: Heutzutage gibt es tatsächlich ein paar Labore, die Photonen jetzt vollständig zum Stillstand bringen können , indem sie speziell abgestimmte Metallatom-Bose-Kondensate verwenden. Also, lassen Sie sich einen Weg ausdenken, um sich das genauer anzusehen Ich frage mich, ob das Problem des "versteckten Photonenzustands" mit einigen der Experimente zusammenhängt, die andere in den Antworten erwähnt haben?)

(Zweiter seltsamer Gedanke: Nur Photonen im Vakuum bewegen sich fort$c$. Sollte 1 Photon, das sich durch brechende Medien bewegt, nicht mit weniger als drehen$c$Haben Sie also eine Art explizite, zugängliche Version von Vektorzuständen entlang ihrer Ausbreitungsachsen? Schließlich könnte eine solche Verlangsamung meiner Meinung nach (vielleicht?) Als eine Mischung aus angesehen werden$c$und "gestoppte" Photonenzustände, wobei letztere vermutlich explizite Ausbreitungsachsenzustände zeigen.)

Schließlich verhalten sich Photonen zumindest im Vergleich zu Atomen mit Spin 1 auch nicht sehr gut in Bezug auf das Ausdrücken einer singulären Richtung der Spinachse. Zum Beispiel teilt ein einzelner X-Achsen-Stern-Gerlach Silberatome in drei Gruppen: +X, -X und "andere" (d. h. Null-X-Spin). Spätere Stern-Gerlach-Geräte können dann die "andere" Gruppe weiter in die verbleibenden unterteilen$\pm$Y und$\pm$Z-Populationen.

Aber für Photonen erhalten Sie nur eine X-Achsengruppe mit der Bezeichnung "horizontale Polarisation". Wohin zeigt die Spinachse in diesem Fall? Das tut es nicht. Der Einzigartige$\pm$X-Gruppen, die bei Silberatomen leicht zu sehen sind, haben nicht wirklich ein Analogon zu Photonen, zumindest keine, die mir bekannt sind. Vielleicht hat ja noch jemand mehr Erkenntnisse?

Ich entschuldige mich also für all die "zusätzlichen Extras", aber der ursprüngliche Punkt bleibt: Obwohl Photonen in vielerlei Hinsicht seltsam sind, geben sie ihre Spin-1-Natur leicht und nachweislich preis, indem sie über a in zwei einzigartige und isolierte Populationen aufgeteilt werden können 90$^\circ$Drehung eines Photonendetektors (Polarisator). Darüber hinaus werden Photonenspins ziemlich seltsam und nicht annähernd so einfach.

Eine Methode basiert auf der Erhaltung des Drehimpulses.

Der elektronische Übergang muss der Auswahlregel folgen$\Delta l=\pm 1$. Das erste, was Sie tun müssen, ist, ein Atom mit einem Gesamtdrehimpuls von Null zu wählen, dann das Atom ein Photon absorbieren zu lassen und einen Übergang zu zu machen$l=1$Zustand.

Zweitens verwenden wir das Stern-Gerlach-Experiment , um das magnetische Moment dieses Atoms zu ermitteln, das sind$m=0,\pm 1$in unserem Fall. Wenn wir Experimente mit zufälligen Photonen wiederholen, sollten wir sehen, dass es hauptsächlich drei helle Punkte auf dem Bildschirm gibt: (1) nicht abgelenkt, (2) oben und (3) unten. Der Abstand des äußeren Flecks vom Zentrum kann auch aus der Theorie berechnet werden. Stellen Sie sicher, dass die Halbwertszeit des angeregten Zustands lang genug für das Experiment ist.

Damit kann man beweisen, dass das Photon Spin=1 hat. (Das dachte ich mir, keine Referenz für das eigentliche Experiment.)

In Richard Beths „ Mechanical Detection and Measurement of the Angular Momentum of Light “ wurde helles Licht einer Quecksilberbogenlampe zirkular polarisiert und durch eine Halbwellenplatte geleitet (die die Richtung der zirkularen Polarisation umkehrt), die an einem Torsionspendel befestigt ist . Ein bisschen cleveres experimentelles Design schickte das Licht zweimal durch die Halbwellenplatte, so dass jedes Photon einen Drehimpuls austauschte$4\hbar$mit der Faser. Beth bestätigte diese Vorhersage und zeigte auch, dass sie mit dem Drehimpuls übereinstimmt, der in den Feldern des klassischen Elektromagnetismus gespeichert ist.

Der Spin des Photons ist eine fortlaufende theoretische Forschung. Für das klassische elektromagnetische Feld ist der Gesamtdrehimpuls$\vec{J}=\vec{r}\times <\vec{E}\times \vec{B}>$(alle Vektoren). In der Feldtheorie ist diese Größe$\vec{J}=\vec{L}+\vec{S}$, es ist eichinvariant und beobachtbar. Aber! Niemand hat einen korrekten Weg gefunden, es in der Summe von zwei eichinvarianten Operatoren für Bahndrehimpuls und Spin (L und S) darzustellen. Damit ist das theoretische Wissen abgeschlossen - der Operator des Spins des Photons ist nicht bekannt.

Es ist möglich, die Z-Komponente des Drehimpulses zu messen - Helizität.

Wenn Sie an den Spin des Photons als eine MAGNETISCHE Größe denken, dann liegen Sie definitiv nicht richtig (auch nicht falsch). Für Photonen gibt es kein Doppelspaltexperiment :) Leider.

Hier können Sie weiterlesen: http://arxiv.org/abs/arXiv:1006.3876

Ehrlich gesagt ist Photon nicht so einfach, wie die Leute vorgeben wollen. Seine Natur zu knacken, wird mehr Anstrengungen erfordern.

Danke fürs Nachdenken.

Ich würde sagen, das ist eine empirische Tatsache. In der Atomphysik beobachtet man keine optischen Übergänge (z. B. induziert durch einen Laser) ohne Drehimpulsübertragung. Die Änderung des Drehimpulses ist immer$\pm$1, das ist es, was das Photon übertragen kann. Siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Selection_rule Die Atomzustände mit unterschiedlichen Drehimpulsen werden über ihre unterschiedlichen Energieniveaus aufgrund des Zeeman-Effekts in einem Magnetfeld identifiziert.

Eine vielleicht nicht ganz strenge, aber leicht verständliche Herleitung:

Es kann gezeigt werden, dass die Größe des Drehimpulses zirkular polarisierter klassischer Strahlung der Frequenz ist$\omega$und Energie$E$wird von gegeben$E/\omega$. Nehmen wir nun an, dass Strahlung in Energiepaketen quantisiert ist$E = \hbar \omega$kommen wir zu dem Schluss, dass der Drehimpuls des Lichts in Paketen von quantisiert ist$\hbar$.