¿Cómo dispara la fuente de luz un solo fotón en el experimento de doble rendija?

Creo que hay un poco de confusión aquí. El experimento de la doble rendija no se realizó con "fotones individuales", es muy difícil incluso considerar lo que eso significaría. En el fondo, es un experimento mental y no es realmente posible hacer un dispositivo de la vida real que lo pruebe.

El primer experimento de baja intensidad (Taylor 1909) desafiaba la interpretación del campo EM de los fotones: la idea era que si los fotones eran concentraciones localizadas del campo EM, a medida que disminuía la intensidad, no habría fotones que interfirieran entre sí. y el patrón de difracción desaparecería. Cuando el experimento tuvo una intensidad lo suficientemente baja como para que Taylor no pudiera distinguir entre los fotones emitidos y los fotones absorbidos, notó que el patrón de difracción todavía existe, por lo que los fotones no podían ser solo concentraciones localizadas del campo EM. Dirac tenía una explicación diferente: consideraba que cada fotón individual era capaz de interactuar consigo mismo.

Más tarde, los experimentos se repitieron no con luz, sino con electrones. Los electrones son mucho más convenientes que los fotones, ya que obedecen el principio de Pauli: tiene mucho más sentido decir "un electrón aquí, un electrón allá". Y puede emitir electrones individuales, que se probó por primera vez en 1974, y se descubrió que los electrones individuales , de hecho, muestran el mismo patrón de interferencia. Más tarde, se encontró que el mismo patrón también aparece para átomos y moléculas complejas (el "récord mundial" actual tiene el experimento realizado con una molécula con más de 800 átomos, a ~10 000 pesos atómicos; el experimento se vuelve mucho más difícil con más grande "partículas", ya que requiere mucha más precisión). Pero nos limitaremos a los electrones, ya que son muy convenientes.

La emisión de electrones individuales sigue siendo bastante complicada, pero tienen algunas propiedades importantes. Llevan una carga y tienen masa. Ambos pueden medirse y, si bien esto perturba al electrón (cambia su trayectoria), no lo absorbe . Los fotones, por otro lado, serán absorbidos por cualquier medida, lo que los hace difíciles de manejar.

Por lo tanto, puede medir con precisión hasta electrones individuales cuántos electrones se emitieron desde su emisor y cuántos se absorbieron en la superficie de detección. Más importante aún, puede intentar experimentar con lo que sucede cuando mide los electrones en el camino entre el emisor y el detector, y ahí es cuando entran los fenómenos cuánticos reales .

¿Qué camino sigue el electrón a través del aparato de doble rendija? Si ya está en la mentalidad de la física cuántica moderna, la pregunta realmente no tiene ningún sentido (y por moderno, todavía me refiero a la primera mitad del siglo XX :). Pero como hemos visto, los electrones se pueden medir en el camino, ¿y si ponemos detectores en las dos rendijas? Bueno, como no sorprendió a las personas involucradas, el patrón desaparece por completo (esto fue predicho por Feynmann y otros mucho antes de que se realizara el experimento real en 1961). Lo que es más interesante (y aún predicho de antemano), colocar los detectores detrás de las dos rendijas también destruye el patrón.

Pero esto es realmente un asunto para otra pregunta por completo. En esencia, la respuesta a su pregunta es "el experimento completo no se puede hacer con luz y nunca se intentó con luz". Lo mejor que se intentó fue reducir la intensidad de la luz incidente tan baja que la energía correspondiera a un fotón de una energía dada, agregando distancia y barreras en el camino de la luz. Pero no conocemos ninguna forma de emitir fotones individuales, o detectarlos con certeza, o medir sus caminos, y muy bien puede ser completamente imposible, no solo inviable. Ahora, esto en sí mismo es suficiente para desacreditar la teoría dual de la luz (a menos que esté de acuerdo con la afirmación de Dirac), pero el experimento real se realizó con electrones individuales., y continuó con partículas cuánticas cada vez más grandes, hasta el monstruo de más de 800 átomos que mencioné anteriormente.

Un rayo de luz no es como un enjambre de fotones que vuelan por el espacio: la relación entre los rayos de luz y los fotones es bastante más complicada que eso. Esto se discute en ¿Cuál es la relación entre la onda electromagnética y el fotón? aunque una discusión adecuada requiere profundizar en el tema de la óptica cuántica que muchos de nosotros consideramos cuerdos.

De todos modos, el fotón es básicamente la unidad de intercambio de energía con el haz de luz, es decir, si la potencia del haz de luz es$W$julios por segundo, entonces el número de fotones emitidos por segundo es esta potencia dividida por la energía por fotón:

El tiempo de viaje de la luz es$\tau = \ell/c$, dónde$\ell$es la longitud del haz de luz en su experimento, por lo que para tener solo un fotón a la vez, necesita que la cantidad de fotones por segundo sea adecuada$1/\tau$.

Y resolviendo la potencia da:

Así que eso es todo lo que necesitas hacer. Haga que la potencia de su haz de luz sea igual o menor que$W$calculado como arriba y solo tendrá un fotón presente a la vez.

Puede usar una sola fuente de fotones , de modo que (probablemente) solo haya un fotón en el sistema en cualquier momento. Estos son emisores de un solo fotón de mecánica cuántica, a diferencia de simplemente bajar la intensidad de una fuente que emite fotones aleatorios.

Un ejemplo conveniente es el centro vacante de nitrógeno en el diamante . Un solo centro NV solo tiene una excitación y, por lo tanto, solo puede emitir un solo fotón cada vez que se excita.

Debido a que el experimento es tan ineficiente (muy pocos fotones realmente pasan a través de las rendijas), encontrar un buen papel que lo muestre directamente es complicado. Sin embargo, hay muchos experimentos similares que usan estas fuentes (ejemplo) para experimentos de dualidad.

Sigues reduciendo la energía de la fuente hasta que el número de fotones que impactan en la pantalla es lo suficientemente pequeño como para contar uno a la vez. Para mí, la forma más fácil de hacer un experimento de hendidura es con cuerdas de guitarra y un láser. Es realmente fácil si diriges un láser a una cuerda. Así lo hizo Young la primera vez que usó un solo cabello humano. La luz se envolverá alrededor de los bordes de la cuerda y formará un patrón de flecos en la pared distante.