Experimento de doble rendija. ¿Qué efecto causa realmente el detector?

Cuando un cuanto de luz llega a una doble rendija, pasa a través de ambas rendijas como una onda y llega a una segunda pantalla con el patrón de interferencia de una sola onda que se ha dividido en dos ondas, que luego se interfieren entre sí.

Esto no es correcto. Los fotones llegan uno a la vez completos, no divididos en el espacio. En cualquier caso, en mecánica cuántica lo que está ondeando es la probabilidad de detectar la partícula, no la partícula en sí.

Aquí está el experimento de la doble rendija que muestra un fotón (cuanto de luz) a la vez, y lo que sucede cuando se acumulan muchos fotones.

Grabación de una cámara de un solo fotón de fotones de una doble rendija iluminada por una luz láser muy débil. De izquierda a derecha: fotograma único, superposición de 200, 1'000 y 500'000 fotogramas.

En el cuadro del extremo izquierdo se ven las huellas de los fotones individuales. Los fotones no dejan una señal por todas partes, golpean en un (x, y) específico a una distancia z, de acuerdo con la probabilidad de la solución para la configuración "fotones que se dispersan por dos rendijas con un ancho y una distancia específicos". Esta probabilidad está dada por la$Ψ*Ψ$de la función de onda específica y parece aleatoria en el primer cuadro de la izquierda.

La acumulación de fotones muestra el patrón de interferencia clásico, que para el nivel cuántico significa la distribución de probabilidad$Ψ*Ψ$.

Un detector después de una de las rendijas que interceptan el fotón, cambia las condiciones de contorno a un sistema diferente y, por lo tanto, a un sistema diferente.$Ψ*Ψ$. Ya no es el mismo montaje experimental. Debería ser obvio que si el instrumento de detección después de la rendija absorbe el fotón como lo hace la pantalla, solo la rendija intacta dará una señal en la pantalla lejana, que no podría interferir consigo misma. (Un experimento sofisticado con electrones que intenta mostrar mínimamente el efecto llegó a la conclusión de que el nivel de detección actúa como una fuente puntual para los electrones que lo atraviesan, es decir, un nivel diferente$Ψ*Ψ$para el electrón que ya no es coherente para mostrar el patrón de interferencia.)

Por lo tanto, ¿se puede asumir que la detección ha 'causado' el colapso de la porción de onda de la dualidad?

La detección en la pantalla ha seleccionado ("colapsado") una instancia de (x, y, z) de la función de onda original y ha eliminado ese fotón de la pantalla final. En general, después de la detección de "qué rendija", los fotones se encuentran en una función de onda diferente con nuevas condiciones de contorno.

¿Cómo ha influido precisamente la detección en la dualidad? ¿Alguien puede aclarar?

La dualidad no se ve afectada por la detección, el modelo matemático que describe las probabilidades,$Ψ*Ψ$, tiene un Ψ diferente porque las condiciones de contorno han cambiado y se ha perdido la coherencia necesaria para mostrar la interferencia (coherencia en las fases que describen los fotones en el espacio-tiempo). Una vez más, el término dualidad onda-partícula tiene que ver con las matemáticas de las probabilidades de la mecánica cuántica. La probabilidad es una onda, (solución de un sistema mecánico cuántico) la partícula se manifiesta como un punto en (x,y,z,t) al interactuar en una medida, en acumulación de muchas partículas con las mismas condiciones de contorno, la probabilidad se construye la distribución. (Es lo mismo que lanzar dados. La distribución de probabilidad frente a los números 1-6 se ve en la acumulación de muchos lanzamientos).

Hace unas semanas, tenía que hacer un artículo sobre por qué los patrones de interferencia desaparecen cuando colocas un detector para determinar a través de qué rendija pasa un fotón. Esto me dio una idea bastante buena de lo que está pasando y respondió algunas de estas preguntas que en realidad me estaba haciendo. Como este documento estaba en francés, haré todo lo posible para resumir lo que entendí, en inglés.

Si consideramos un haz de luz dirigido a 2 rendijas y al otro lado de las rendijas, una pantalla montada sobre 2 osciladores (ese es nuestro detector), así:

Primero, consideremos que la pantalla está declarada. No realiza ninguna medición, por lo que lo que ve es un patrón de interferencia simple con rayos distinguibles, y sin demostrarlo (tomaría demasiado tiempo) tenemos:

Este fenómeno es propio de las ondas.

En segundo lugar, hacemos una medición, lo que significa que la pantalla ahora puede oscilar y nos informa sobre el momento de un fotón (px):

Entonces, para poder saber de qué rendija se originó un fotón, debemos saber si corresponde a p1x o p2x:

Y estoy seguro de que has oído hablar del principio de incertidumbre de Heinsenberg, que nos da la siguiente desigualdad:

¡Nos damos cuenta de que delta X tiene el mismo orden de magnitud que la distancia entre 2 rayos! ¡Lo que significa que ya no podemos ver claramente un patrón de interferencia! Sabiendo que el patrón de interferencia es propio de las ondas, podemos decir que la luz ya no tiene la propiedad de una onda y se comporta como una partícula.

Esto se llama el principio de complementariedad: no podemos ver la luz comportándose como una onda y una partícula al mismo tiempo.

Espero haberte ayudado, no dudes si tienes alguna pregunta :-)

"Un detector después de una de las rendijas que interceptan el fotón, cambia las condiciones de contorno a un sistema diferente y, por lo tanto, a un Ψ∗Ψ diferente. Ya no es la misma configuración experimental".

Anna: Parece que estás sugiriendo que un detector interactuará con el fotón en un sentido clásico, ya que "intercepta" el fotón. ¿Puede aclarar qué condiciones experimentales han cambiado por detección? Cuando te refieres a 'condiciones de contorno', ¿a qué te refieres? Tengo entendido que un detector no interactúa con el cuanto de ninguna manera material que pueda afectar su comportamiento.

Por lo tanto, ¿puedo suponer que las "condiciones de contorno" a las que se refiere se encuentran fuera de la construcción experimental y son hipotéticas en sí mismas?

Cuando un cuanto de luz llega a una doble rendija, pasa a través de ambas rendijas como una onda y llega a una segunda pantalla con el patrón de interferencia de una sola onda que se ha dividido en dos ondas, que luego se interfieren entre sí.

¿Qué podrías observar y qué deberías interpretar?

que pudiste observar

Podría observar que un fotón que pasa por una doble rendija impacta como un fotón en una pantalla de observador (por ejemplo, un chip CCD). Repitiendo esta configuración por un tiempo, puede observar que los impactos tienen una distribución de intensidad más amplia, la doble rendija y la hinchazón entre casi ningún impacto y algunos impactos máximos (de Wikipedia ):

Pero tienes curiosidad y quitas una de las ranuras y luego reemplazas la ranura por un borde afilado. En todos los casos se pudo observar una distribución de intensidad (franjas) detrás del obstáculo:

¿Qué debes interpretar?

Young concluyó que un haz de luz, que atraviesa dos rendijas, funciona como una interferencia de ondas de agua (de Wikipedia ):

Esa es una interpretación simplificada porque cualquier interferencia de onda de agua produce un patrón de interferencia en movimiento que no es el caso del patrón de intensidad de la luz o incluso de los electrones.

Además, detrás de un borde, las ondas de agua se doblan pero no tienen un patrón de interferencia.

La influencia de los bordes.

Si incluso para fotones individuales lanzados después de algún tiempo ocurre una distribución de intensidad, ¿no tenemos que preguntarnos acerca de la influencia de los bordes? En la superficie de los bordes se concentran los electrones, ¿interaccionan con los fotones?

Si se coloca un detector en una de las rendijas y se detecta la dualidad en cualquiera de las dos rendijas, la dualidad detectada procede y llega a la segunda pantalla como un fotón/partícula que ha 'emergido' de su onda electromagnética.

Si se coloca un detector en una rendija, se podría detectar una partícula en aproximadamente el 50% de los casos. ¿Apoya esto el punto de vista de Young sobre la naturaleza ondulatoria de la luz o apoya el punto de vista de que los fotones siguen siendo cuantos bajo la influencia de los bordes?