¿Cómo interactúan los fotones cuantificados en un interferómetro?

Dado que la luz se cuantifica en fotones, ¿cómo puede un único fotón raro que ingresa por un lado de un interferómetro grande [digamos, de 100 metros de ancho] desde una estrella muy tenue, un fotón que solo está en el interferómetro durante un microsegundo más o menos, posiblemente "interferir" con cualquier cosa que haya entrado al otro lado del interferómetro exactamente en el mismo instante?? El fotón, que aún llega en su forma de paquete de ondas, ¿simplemente interfiere consigo mismo? Eso implicaría que el paquete de ondas cuantificado, a diferencia de la partícula de fotones submicroscópica que finalmente "colapsa" y se registra en la cámara CCD, debe ser al menos tan ancho como las entradas telescópicas separadas del interferómetro, si no, de hecho, tan ancho como el límite de toda la esfera del universo que rodea la fuente de la onda a la misma distancia que el interferómetro; ¡¡algo que ciertamente me parece absurdo!! Entonces, ¿cómo ES entonces que tal interferencia, y con ello, la resolución angular enormemente mejorada de incluso fuentes muy tenues, cuyos fotones pueden llegar solo ocasionalmente con el tiempo, es realmente posible?

Los experimentos interferométricos de fotón único son una cosa (de hecho, la gente tuvo que aprender a hacerlos antes de poder hacer todos los experimentos de elección retrasada y los experimentos de desigualdad de Bell que impulsan las discusiones sobre el entrelazamiento). El libro QM de Townsend tiene un montón de referencias en los primeros capítulos, pero mi copia está en otro estado.
Para casos menos ambiguos de autointerferencia de una sola partícula, puede leer parte de la literatura sobre interferómetros de neutrones . Los haces de neutrones que alimentan los interferómetros tienden a tener una intensidad bastante baja, y en un experimento largo en el que muchos neutrones crean un patrón de interferencia, es muy posible que el número esperado de veces haya dos neutrones diferentes presentes en el interferómetro en el mismo tiempo fue menos de una vez.
Muchas gracias por su ayuda en este asunto. Intentaré obtener una copia del libro de Townsend y también leer sobre interferómetros de neutrones. El problema de que dos paquetes de ondas lleguen al mismo tiempo resulta ser una pista falsa ya que el paquete de ondas SÍ es capaz de interferir consigo mismo. Pero eso aún deja el gran misterio, al menos para mí, de cómo un solo paquete de ondas de fotones diminutos aún puede ser discernible a lo largo de cientos de metros en el óptico y cientos de miles de kilómetros. en el espectro de radio lo suficiente como para causar un patrón de interferencia.

Respuestas (2)

Su intuición es correcta: cada paquete de ondas de fotones se extiende por todo el lugar, incluso mucho más ancho que la apertura del telescopio. El fotón interfiere consigo mismo. Una búsqueda de artículos relacionados con la "interferencia de un solo fotón" ayudará.

Eso es muy útil, pero todavía no me tranquiliza, ya que incluso si el paquete de ondas de Pohton ingresa a ambos lados del interferómetro a la vez y luego solo colapsa como una partícula en la matriz CCD un microsegundo más tarde, todavía queda el problema que usted aclara con su afirmación de que "el paquete de ondas de fotones se extiende por todo el lugar, incluso mucho más ancho que la apertura del telescopio". Pero, ¿CUÁN ancho se extiende? Me parece que un solo paquete de ondas de fotones difícilmente podría ser lo suficientemente robusto como para interactuar consigo mismo durante, digamos, miles de kilómetros, como en las interferencias de radio.
Por cierto, si uno verifica en qué lado del interferómetro entró el fotón, el patrón de interferencia simplemente desaparece como en el experimento de la doble rendija. Supongo que debe. Además, ¿por qué aumenta la resolución angular a través del proceso de interferencia? Imagine un telescopio de gran apertura con una máscara sobre todo excepto por cuatro pequeños círculos de 2" igualmente espaciados a cada lado del tubo. Ahora, si uno mira a través del telescopio cuando está enmascarado, la resolución debería ser tan buena como si uno mirara a través del todo el alcance desenmascarado Pero, ¿cómo es posible algo tan asombroso?
De hecho, la amplitud del paquete de ondas de un fotón es extremadamente pequeña cuando llega a un telescopio desde una estrella a miles de millones de años luz de distancia. Sin embargo, la amplitud al cuadrado representa la probabilidad (densidad) de interacción o detección. Dispare un fotón desde la estrella, calcule la amplitud de la función de onda en un detector, eleve la amplitud al cuadrado, integre sobre el área del detector, y eso da la probabilidad de que el fotón sea detectado por ese detector. La probabilidad es extremadamente pequeña, por lo que lleva mucho tiempo formar una imagen de un objeto distante.

Sí, mientras escribes, un solo fotón puede interferir consigo mismo.

La función de onda describe la distribución de probabilidad de la posición espacial del fotón (y otras características) para todo el espacio.

Ahora, en su caso, el fotón tiene una alta probabilidad de encontrarse en un lado determinado del interferómetro, digamos que ese sería el punto donde el fotón como partícula interactuaría con la red metálica de la antena, y sería absorbido por un átomo dentro de la red.

Ahora bien, es un error pensar que el fotón estaba viajando en un camino recto (3D espacial) hacia ese punto de interacción desde la fuente. El fotón en realidad viaja como una onda, y la distribución de su posición espacial está descrita por la función de onda para todo el espacio.

Ahora, en su caso, la función de onda le daría una alta probabilidad de que el fotón se encuentre cerca de ese punto en un lado del interferómetro. Pero la probabilidad de encontrar el fotón al otro lado del interferómetro no es 0. En realidad, no es 0 en ningún lugar del espacio. El fotón se distribuye en el espacio (como sugiere la otra respuesta) en todas partes, con diferentes probabilidades.

A medida que el fotón viaja como una onda y llega al interferómetro, las ondas parciales interactúan entre sí y crean un patrón de interferencia de fotón único. Si cambia el interferómetro con una pantalla, obtendrá áreas brillantes donde la interferencia es constructiva y áreas oscuras donde la interferencia es destructiva.

Estás diciendo que el fotón solo está en el interferómetro durante un microsegundo, y cómo puede algo en el mismo instante interferir en el otro lado del interferómetro. Bueno, esto se explica en parte porque el fotón viaja como una onda y las ondas parciales interfieren con el interferómetro en todas partes al mismo tiempo.

Es un error pensar en el fotón como otra partícula que tendría masa en reposo y experimentaría el tiempo como lo hacemos nosotros. El fotón no tiene una masa en reposo, no tiene un marco de reposo, y no puedes hablar de lo que sucede cuando estás en el marco del fotón y te mueves con él. No hay tal marco. El fotón se mueve en las dimensiones espaciales con velocidad c (en el vacío, cuando se mide localmente) y se mueve en la dimensión temporal con velocidad 0. No experimenta el tiempo como lo hacemos nosotros. Tenemos una masa en reposo, y nosotros (u otra partícula con masa en reposo) nos movemos en la dimensión del tiempo con una velocidad > 0. Por lo tanto, nos movemos en las dimensiones espaciales con una velocidad menor que c. Ahora bien, el fotón no experimenta el tiempo como lo hacemos nosotros, se podría decir que ve toda la dimensión del tiempo en uno, pero en realidad nadie lo sabe.

Lo que puedes decir es que el fotón viaja (si hubiera un marco donde irías con el fotón) desde la fuente hasta el punto de interacción (absorción) en una distancia de espacio-tiempo 0. Se podría decir que el camino que recorre el fotón es similar al de la luz.

OK, gracias por esa explicación adicional, que creo que entiendo completamente. Pero el problema real que estoy teniendo, como se indicó también en mi última respuesta anterior, es que no puedo creer que un solo fotón diminuto pueda transportar suficiente energía, especialmente en longitudes de onda de radio, para que su paquete de ondas sea perceptible, mucho menos utilizable para interferometría, a través de distancias tan grandes. Sé que "teóricamente" todavía debe existir alguna parte de la función de onda sin importar cuán ampliamente se divida el interferómetro, pero parece que después de cierta distancia la función se habría reducido a cero.
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