2. Луч света — это поток частиц .
Правда отчасти.
Если говорить строго, о наличии фотона в данной точке (или небольшой пространственной области) с определенностью можно говорить только в момент его регистрации, например при срабатывании фотодетектора. Чрезмерное же буквальное представление о «летящих» фотонах, пусть даже и размазанных в пространстве из-за принципа неопределенности, может привести к кажущимся парадоксам.
Рассмотрим следующий пример: свет падает на полупрозрачное зеркало, которое частично отражает его (скажем, поворачивает на 90 градусов), а частично пропускает. Кажется очевидным, что фотоны с какой-то вероятностью проходят через зеркало, а в противном случае отражаются им. И действительно, если поставить в фотодетекторы отраженный и прошедший лучи, мы увидим, что сигнал каждого из них представляет собой гребенку импульсов, соответствующих отдельным фотонам, причем детекторы не срабатывают одновременно. Это полностью соответствует ожидаемой картинке: фотон «выбирает», по какому пути ему идти. Для этого эксперимента важно использовать достаточно слабое оптическое излучение, чтобы исключить случайные совпадения отсчетов, вызванные одновременной регистрацией двух разных фотонов.
Теперь усложним схему: поставим вместо детекторов обычные зеркала и сведем два луча на экране, так чтобы на нем наблюдались интерференционные полосы. Они возникнут на самом деле, причем даже для очень слабых источников. Но это совершенно не укладывается в простую «фотонную» картинку! Для слабых источников одновременное наличие в схеме двух фотонов практически исключено. Но если данный фотон отразился от полупрозрачного зеркала, в соответствующем прошедшему фотону интерференционном канале ничего нет — и наоборот. С чем же фотоны интерферируют? Ответ на этот вопрос дает копенгагенская трактовка квантовой теории: выбор траектории, по которой двигался фотон, происходит не в момент прохождения полупрозрачного зеркала, а момент регистрации (если полученная информация позволяет такой выбор сделать). Таким образом, в эксперименте с интерференцией фотон распространяется одновременно по двум разным траекториям (система находится в суперпозиции состояний прошедшего и отраженного фотона) и интерферирует в некотором смысле сам с собой.
Получается, что один и тот же фотон может одновременно находиться в данном луче и за тысячу километров от него. Буквально говорить о том, что луч света состоит из фотонов, уже затруднительно (подобные рассуждения лежат в основе парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена).
Ситуацию можно еще запутать, введя в рассмотрение бифотоны — квантово-перепутанные состояния двух фотонов. С их участием можно построить состояния, в которых неопределенными оказываются не только пути движения фотонов, но и, например, их число.
В конце стоит заметить, что по крайней мере часть описанных экспериментов, в принципе, можно поставить не только с фотонами — например, в интерференции электронов нет ничего необычного. И все-таки именно фотоны обладают рядом уникальных свойств. Прежде всего, нулевая масса покоя и заряд позволяют легко создавать и уничтожать фотоны, приготавливая состояния с неопределенным числом частиц. И во-вторых, фотоны достаточно слабо взаимодействуют с окружающим миром, что позволяет избавиться от декогеренции — главного «врага» проявления квантовых свойств.
Продолжение во 3 части --->
Интересно, не правда ли?
Если хотите больше статей на тему необычной физики, подписывайтесь на канал и ставьте лайки.
