El experimento de la doble rendija: métodos utilizados para observar fotones individuales antes de golpear el objetivo

Es más fácil abordar el problema aquí usando cosas masivas como neutrones o átomos como entidades que atraviesan las rendijas y golpean la pantalla. No es tan evidente que la observación de la ubicación de un átomo perturbe el movimiento del átomo lo suficiente como para eliminar el patrón de interferencia. Por supuesto, la mecánica cuántica dice que esto es lo que debe suceder y, por lo tanto, la mecánica cuántica es consistente.

Uno puede medir la ubicación de un átomo a medida que pasa volando, por ejemplo, haciendo rebotar la luz y detectando la luz. Esto se llama dispersión de Rayleigh.

Si uno fuera a usar fotones como las entidades que pasan a través de las rendijas y muestran interferencia, como en la pregunta planteada, entonces uno quiere determinar la ubicación de un fotón, con suficiente precisión, sin absorber el fotón. En principio, esto se puede hacer dejando que el fotón se refleje en un espejo muy ligero (preparado en un estado de movimiento preciso) y observando el retroceso del espejo. En la práctica esto es demasiado difícil. En cambio, se han detectado fotones cerca de una u otra rendija mediante un método diferente. Se ha realizado mediante el uso de una cavidad óptica para mejorar la interacción del fotón con un solo átomo ubicado en la cavidad. El fotón vuela y el átomo cambia de estado.

En el famoso experimento de doble rendija usando fotones, tienes un par de configuraciones:

Configuración A - 2 rendijas y 1 pantalla:

Después de enviar 1 fotón a la vez en la doble rendija, el fotón golpea la pantalla aparentemente al azar, pero con el tiempo se acumula un patrón de interferencia. Pero cada fotón pasó por sí solo, por lo que no hay otros fotones con los que interferir. Esto significa que el fotón debe estar, en algún sentido, pasando a través de ambas rendijas al mismo tiempo e interfiriendo consigo mismo .

Configuración B - 2 rendijas, 2 detectores de fotones, 1 detrás de cada rendija:

No hay pantalla en esta configuración, y si la hubiera, estaría bloqueada por los detectores. Envías 1 fotón a la vez, pero esta vez, 1 de los detectores registra exactamente 1 fotón y el otro registra 0. Esto significa que el fotón solo debe atravesar una rendija a la vez . Si pasó por ambos, como esperamos del experimento A, ambos detectores detectarían algo.

El misterio:

¿Por qué hay una diferencia entre las configuraciones A y B? La única diferencia es que en B, podríamos saber por qué rendija pasó el fotón. Es como si el fotón supiera que está siendo observado, lo cual es espeluznante.

Entonces, para abordar la principal preocupación de su pregunta, no medimos fotones individuales de manera no intrusiva. Recientemente se han realizado algunos avances en las posibles formas de hacer esto (por ejemplo, here y here ), pero en general es extremadamente difícil/apenas posible. No es necesario detectar el fotón y dejar que continúe en la pantalla, solo detectamos el fotón.

Tu escribiste,

Lo que me desconcierta es exactamente qué dispositivo práctico se utiliza para tratar de medir a través de qué rendija viaja el fotón de una manera no intrusiva. ¿Por qué es tan misterioso que esta observación altere el patrón de difracción? Seguro que cualquier medida que tomemos echará a perder el experimento.

Ha puesto el dedo justo en el quid de la cuestión: no es posible medir por qué rendija viaja el fotón, en una cuestión no intrusiva. Todos los métodos de medición que detectan un fotón lo absorben o lo cambian de alguna manera.

Los experimentos de interferometría de un solo fotón son necesariamente de naturaleza estadística: el resultado se obtiene compilando los resultados de muchos eventos de detección de un solo fotón.

Un buen recurso para comprender esto es la entrada de Wikipedia sobre el Experimento de Elección Retrasada de Wheeler . Otra es la entrada de Wikipedia en Delayed Choice Quantum Eraser .

No existe una forma conocida de detectar fotones en vuelo.

Solo puedes detectar un fotón cuando es absorbido. Y no siempre entonces.

En teoría, es posible que pueda detectar un fotón cuando se emite, por el efecto en la fuente que lo emite. Eso generalmente no es posible, generalmente dices que los fotones fueron emitidos al absorber algunos de ellos.

Aquí hay una pregunta: ¿los fotones son reales o son un artefacto de detección?

¿Qué pasa si la luz es ondas y viaja a través del espacio exactamente como ondas pero cuando interactúa con moléculas (que están cuantificadas, no puede interactuar con 1,72 moléculas), entonces el resultado está cuantificado porque las moléculas están cuantificadas?

¿Qué pasa si las moléculas siempre absorben una cantidad cuántica de radiación, dejando atrás lo que no absorben? ¿Qué pasa si irradian una cantidad cuántica de radiación y no más? (Ellas hacen.)

Entonces la luz sería una onda, y todo lo que vemos como fotones sucedería debido a nuestros métodos de detección limitados.

¿Es eso cierto? No sé. No puedo pensar en un experimento para probarlo.

En la práctica usamos cualquier teoría que sea más conveniente. Para la óptica geométrica suponemos que la luz son rayos que viajan en línea recta. Eso es lo más conveniente.

Para ver hacia dónde va realmente la luz, cuando la difracción es importante, usamos la teoría ondulatoria. Porque eso es lo más conveniente.

Cuando queremos ver cómo la luz interactúa con las moléculas, usamos QED que nos da partículas que viajan exactamente como ondas, porque eso encaja más fácilmente con el resto de la teoría moderna. La luz como ondas o como cuantos modernos funcionan perfectamente con los datos, y usamos la versión que es más conveniente. La luz como rayos rectos no funciona tan bien a veces. Pero a veces es el más simple y fácil de usar.

Si se detectan dos fotones al mismo tiempo, ¿quizás sean la misma onda detectada dos veces? Así que bajas tu emisor hasta que emite alrededor de un fotón por segundo. Pones un detector detrás de cada una de las dos rendijas. Y lo considera una doble detección si se detectan dos fotones dentro de un nanosegundo uno del otro, lo cual (digamos) es el límite de su capacidad para cronometrar la detección de fotones. Entonces, puede esperar que se detecten dos fotones al mismo tiempo por accidente, porque creó dos fotones aproximadamente al mismo tiempo, aproximadamente una vez en 10 ^ 9 segundos, suponiendo que los fotones se produzcan al azar.

Por otro lado, suponga que tiene su emisor apagado hasta que la intensidad de la onda produzca en promedio un evento de detección aleatoria por segundo. Podría obtener una detección en cualquier momento, pero la ola es tan débil que son raros. Entonces, la posibilidad de que la onda resulte en dos detecciones a la vez es de aproximadamente una en 10^9 segundos.

Pero imagina que pudieras detectar cada vez que tu fuente emite un fotón que se dirige en la dirección correcta. Nunca obtienes un falso positivo, cuando no se emitió ningún fotón pero se detectó uno. Es posible que encuentre que la mayoría de los fotones no se detectan. Tal vez nunca obtenga dos detecciones cuando solo se emitió un fotón. O tal vez a veces obtienes dos detecciones cuando solo se emitió un fotón.

¡Sería un gran experimento! Si obtiene dos detecciones, muestra que el fotón viaja a través de ambas rendijas (o que la onda, por supuesto, lo hizo). Si nunca obtiene eso, entonces cada fotón solo viaja a través de una rendija y el hecho de que podría haber atravesado la otra uno en cambio, el brote no lo hizo, de alguna manera lo afectó. Eso sería extraño y emocionante.