Experimento para determinar si un fotón se emite en una dirección

Actualmente estoy desconcertado sobre un aspecto de la noción de fotones con respecto a su propiedad de estar localizados y tener una dirección (a diferencia de la imagen EM clásica de una onda esférica). Se me ocurrió un experimento mental que ilustra mi idea.

Una partícula cargada está ubicada en el origen del marco del laboratorio, y existe un mecanismo que puede inducir el movimiento de la carga (por ejemplo, generar un campo E externo sobre la partícula, o quizás variar un campo gravitacional que haga que se acelere en cierta dirección).

A cierta distancia de la partícula, un grupo de fotodetectores se coloca uniformemente de manera circular alrededor del origen, por lo que todos están inicialmente a la misma distancia de la partícula. Podemos suponer que la partícula tiene velocidad cero en el marco del laboratorio, por lo que los detectores están inmóviles con respecto al marco de referencia inercial de la partícula.

De repente, los experimentadores inducen una aceleración en la partícula mediante uno de los métodos descritos anteriormente. En la imagen EM clásica, la partícula acelerada generará radiación electromagnética que se propaga en todas las direcciones. Después de un tiempo, todos los detectores medirán una cierta intensidad de campo EM, y esto debería suceder al mismo tiempo para todos ellos, ya que la onda se propaga a la misma velocidad en todas las direcciones. La distribución de intensidad no será uniforme ya que la radiación no será esféricamente simétrica (seguiría las ecuaciones de Liénard-Wiechert), pero definitivamente habrá intensidades medidas distintas de cero en la mayoría de los detectores.

Ahora, mirando la imagen cuántica, parecería que pensamos en la situación como la partícula acelerada que emite un fotón. Entonces, el fotón tendrá un cierto impulso y energía, y esto debería significar (suponiendo que mi comprensión sea correcta) que llegará a un solo detector. Por lo tanto, deberíamos estar observando una distribución de intensidad en la que un detector tiene una intensidad medida grande y todos los demás detectores tienen una intensidad medida cero.

Tal vez se pueda argumentar que la partícula genera mucho más de un fotón y que las direcciones se distribuyen estadísticamente de tal manera que el patrón de intensidad clásico coincide con la distribución de probabilidad de las direcciones de los fotones. Pero en ese caso, todavía debería ser posible distinguir experimentalmente las dos situaciones midiendo las correlaciones entre los tiempos de detección para diferentes detectores. Presumiblemente, una corriente de fotones discretos producirá eventos de detección individuales separados por ciertos intervalos de tiempo, por lo que debería ser posible determinar si las intensidades se miden simultáneamente en todos los detectores, como se predice clásicamente, o si las intensidades se acumulan con el tiempo por medio de detectores discretos. eventos.

¿Es esta una descripción precisa de lo que predeciría la mecánica cuántica?

¿Se ha realizado tal experimento en la práctica, y las observaciones corresponden a esta predicción?

¿Sabe que se realizan experimentos con fotones individuales? consulte sps.ch/en/articles/progresses/…
De lo que estaba al tanto eran experimentos que involucraban fotones individuales que se producen a partir de láseres. No quería preguntar sobre eso porque asumo que la situación es ligeramente diferente ya que los láseres están diseñados para emitir radiación en un haz muy estrecho, por lo que la cuestión de la omnidireccionalidad no se abordaría realmente. Al usar una partícula cargada que se "sacude", nos aseguramos de que el "rayo" sea (clásicamente) omnidireccional. Pero si cree que las dos situaciones son equivalentes, me interesaría una respuesta que explique esto.
Supongo que en realidad se podría hacer lo mismo con los láseres, teniendo en cuenta la distribución de intensidad de campo gaussiana con respecto a la distancia desde el eje óptico. Así que tal vez funcionen fundamentalmente de la misma manera. Entonces, la pregunta sería la misma, excepto que los detectores se colocarían a distancias suficientemente pequeñas en una pantalla receptora de modo que el ancho del haz del láser sea mucho mayor que el tamaño del detector.
De todos modos, algún tiempo después de publicar la pregunta, me di cuenta de que podría haber dos formas equivalentes de pensar en el mismo fenómeno que no se distinguirían solo de ese experimento (una forma es mediante el uso de la cuantificación del campo en fotones, y la otra es modelando el campo de forma clásica pero suponiendo excitaciones aleatorias en los propios detectores, con una tasa proporcional a la intensidad del campo). La segunda forma parece estar relacionada con las explicaciones semiclásicas de cosas como el efecto fotoeléctrico.
Creo que de cualquier manera que haga su experimento, se encontrará con la naturaleza probabilística de la interacción cuando tenga más de un detector. Los fotones están realmente cuantificados y, como afirma Anna, se han experimentado con ellos de forma única. ¡Pueden irradiar en cualquier dirección, pero solo eligen una!

Respuestas (1)

Buena pregunta, en radio tenemos electrones moviéndose en antenas, asumiendo que solo pudiéramos mover un electrón (pero en realidad hay ruido) entonces un electrón en una antena receptora sentiría la acción a través de algo llamado fotones virtuales. No hay fotón real hasta que la energía se transfiere al electrón receptor en la otra antena. Con solo un electrón y digamos diez detectores, los diez detectarían a través de fotones virtuales, pero solo una antena recibiría, y se basaría en la probabilidad. No hay forma de ver que las 10 antenas están detectando el único electrón. Si aumenta la corriente para decir 10 electrones, aún obtendrá algunas antenas recibiendo cero y otras múltiples según la probabilidad. Puedes pensar en un electrón en un átomo de la misma manera, se excita,

Sería interesante colocar las antenas a diferentes distancias (longitudes de onda) para ver cuál recibe más fotones, es decir, sesga la dirección. En los átomos, aunque las longitudes de onda son muy cortas, se requerirían átomos individuales colocados con mucha precisión para sesgar el resultado.

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