¿La interferencia de fotones viola la causalidad?

Supongamos que un átomo de hidrógeno salta un nivel de energía y emite un fotón y ese fotón

Eso está modelado por la solución del átomo de hidrógeno de la ecuación de Schrödinger, y la función de onda está limitada por la existencia del protón, el electrón y el fotón saliente.

Un problema de condición de frontera de la mecánica cuántica.

más tarde

no mucho más tarde, considere la velocidad de la luz

pasa por una doble rendija

Este es un segundo problema de mecánica cuántica con sus soluciones y sus valores límite "dispersión de fotones en dos rendijas de ancho y distancia dados". Esto da una función de onda que describe el camino probable que el fotón viajará a una pantalla macroscópica

Aquí está la doble rendija, un fotón a la vez:

El camino de un fotón lo lleva a un punto en una pantalla donde se ve un tercer problema de mecánica cuántica, "fotón que se dispersa del átomo en la pantalla" y pierde energía, el átomo ionizado se ve como un punto de la disipación de la energía que ganó.

Tres experimentos incoherentes con la distribución probabilística de la mecánica cuántica.

La acumulación de fotones de la misma energía y condiciones de contorno lleva la información del segundo experimento, la construcción de la distribución de probabilidad, que muestra la naturaleza ondulatoria del fotón, no como una energía esparcida por todo el lugar, sino como una onda de probabilidad . .

El tercer experimento, la detección por ionización debido a la pérdida de energía del átomo que interactúa con el fotón, se usa continuamente en cámaras de burbujas y otros detectores de partículas para seguir las huellas macroscópicas de las partículas elementales.

¿No tiene el fotón una incertidumbre extrema en su posición y existe como una onda que viaja en todas las direcciones?

No, sigue la distribución de probabilidad predicha por la solución de las condiciones de contorno específicas (las tres configuraciones independientes)

hasta que de repente colapsa para tener una incertidumbre en la posición de aproximadamente el diámetro de un átomo y es completamente absorbido por un solo átomo en la pantalla.

Este asunto del colapso te está confundiendo. Es solo en la tercera fase que la interacción de un fotón específico con un átomo libera su energía en los confines de unos pocos átomos. Por supuesto, una vez que ocurre la interacción, la función de onda ya no es válida. Lo mismo es cierto para el segundo experimento, una vez que los fotones se dispersan por las dos rendijas, la función de onda original del fotón de hidrógeno no es válida.

Nada sucede más rápido que la luz. Las interacciones consecutivas son incoherentes, pero ciertamente no más rápidas que la luz, y esta oración es confusa:

Eso parece violar la causalidad porque está garantizado que la pantalla detectará como máximo un fotón de ese átomo, por lo que la detección de un átomo envía la información a otro átomo más rápido que la luz para no detectarlo.

Nada está garantizado en la mecánica cuántica, excepto la conservación de la energía y el momento y el número cuántico cuando corresponda. Todo lo demás está gobernado por funciones mecánicas cuánticas probabilísticas.

¡Felicitaciones, ha descubierto la paradoja de la burbuja de Einstein! Cada interpretación de la mecánica cuántica tiene su propia forma de lidiar con esto, y depende de ti decidir cuál te gusta.

Para la mayoría de las teorías físicas, la forma de averiguar lo que implican sobre cómo funciona el mundo es usar las ecuaciones de movimiento de la teoría. Ahora, en la mecánica cuántica, la gente usa dos tipos distintos de ecuaciones. El primer tipo consta de ecuaciones como la ecuación de Schrödinger que están bien definidas y relativamente bien entendidas. el tipo de envío es una regla ad hoc que establece que, de alguna manera, bajo un conjunto de circunstancias no especificadas, el primer tipo de ecuación deja de funcionar. La segunda regla es la que causa todos los problemas en este caso y en muchos otros. Entonces, hace unos 60 años, Hugh Everett sugirió que deberíamos deshacernos de la segunda regla.

Si seguimos la sugerencia de Everett, entonces el fotón se propaga completamente localmente. Hay múltiples versiones diferentes del fotón en diferentes lugares. Una versión del fotón interactúa con un átomo, otra versión interactúa con una pantalla y así sucesivamente. En cualquier lugar en particular, cuando llega la información sobre las interacciones del fotón, las diferentes versiones de la información interactúan entre sí y las versiones donde el fotón es absorbido por el átomo se emparejan con versiones de la pantalla que no absorbieron el fotón.

Entonces, la teoría que explica las interacciones causales del fotón es la teoría cuántica. No se necesitan partículas Bohmianas. Ver

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0107144

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0403094

Estás haciendo dos preguntas.

1. ¿Cómo puede el electrón saltar instantáneamente?

2. ¿Cómo pueden los otros átomos saber instantáneamente que este átomo ya absorbió el fotón y no hay nada que absorber para los demás?

La función de onda es la distribución de probabilidad de la posición de la partícula. Para el fotón, la función de onda te dará una descripción de las probabilidades de la trayectoria del fotón. Para el electrón en el átomo absorbente, la función de onda le dará una descripción de probabilidad de en qué nivel de energía se encuentra el electrón según QM.

Ahora estás diciendo que el electrón en el átomo absorbente subirá un nivel de energía cuando absorba el fotón y luego volverá a bajar cuando emita un fotón. Pero esto no está bien. Según QM, no hay salto cuántico. La función de onda describe la posición del electrón en ciertos niveles de energía, y la probabilidad de que el electrón esté en un cierto nivel de energía es mayor que la de los otros. Clásicamente diríamos que el electrón está en esa órbita. Pero en QM, el electrón está justo en ese nivel de energía con una probabilidad alta y está en otros niveles de energía con una probabilidad más baja al mismo tiempo.

Al mismo tiempo es importante. También podría encontrar el electrón en otros niveles de energía, solo que con menos probabilidad. Cuando el electrón absorbe el fotón, no salta. Clásicamente, no viaja a un nivel de energía superior. Lo que sucede es que la función de onda cambia. Describirá la probabilidad del electrón de encontrarlo en un nivel de energía más alto con mayor probabilidad. Y en el nivel inferior original con menor probabilidad. Según QM, el electrón se movió a un nivel de energía más alto. Pero el electrón no saltó clásicamente. El electrón se puede encontrar al mismo tiempo en ambos niveles de energía, es solo la probabilidad la que cambió, el nivel de energía más alto ahora tiene una probabilidad más alta. Su confusión es acerca de cómo el electrón salta instantáneamente. No es asi.

2.

No sólo el electrón y el fotón tienen función de onda. Todos los átomos tienen uno.

La función de onda es solo información. No colapsa clásicamente. Cambia. Es una descripción de probabilidad. Se describen las posiciones de las partículas en este caso y se les asignan probabilidades. Eso puede cambiar instantáneamente.

Cuando el átomo absorbe el fotón, el fotón se transforma en energía y el fotón ya no existe. Se suma al nivel de energía del electrón.

Esta interacción no es instantánea. Necesita el tiempo promedio de las interacciones EM.

Estás preguntando entonces cómo es posible que otros átomos sepan que no necesitan absorber el fotón. Es porque el fotón es la excitación del campo EM. El campo EM existe en todas partes en el espacio. Los núcleos de los átomos (y sus constituyentes) y los electrones son excitación de esos campos. Esos campos existen en todas partes en el espacio. Los dos tipos de campos pueden interactuar (el EM para el fotón y el electrón y los otros campos de los constituyentes de los núcleos).

Cuando los dos campos interactúan y la brecha del nivel de energía de los átomos es compatible con el nivel de energía del fotón, será absorbido. El fotón entonces ya no existe, se transformó en el nivel de energía del electrón.

Aunque el fotón viaja como una onda, su distribución de probabilidad describirá su posición en el espacio para diferentes posiciones al mismo tiempo. Al mismo tiempo es importante. Cuando (en un punto en el tiempo) la onda llegue a la pantalla, habrá una posición del fotón que tenga la mayor probabilidad en ese momento. Otras posiciones del fotón al mismo tiempo tienen menor probabilidad alrededor de esa área. Los átomos alrededor de esa posición (la posición del fotón con mayor probabilidad en ese momento) tienen una función de onda que describe sus posiciones y brechas de niveles de energía. El átomo que tiene la brecha de nivel de energía correspondiente al nivel de energía del fotón lo absorberá con la mayor probabilidad.

La interacción entre el átomo y el fotón no es instantánea. Necesita el tiempo promedio para las interacciones EM. Pero el cambio en la función de onda puede ser instantáneo, y la descripción de probabilidad de los niveles de energía del electrón absorbente ha cambiado. El fotón ya no existe. Se transformó en el nivel de energía del electrón.

Los otros átomos no pueden absorber el fotón por dos razones.

1. La posición del fotón tiene una descripción de probabilidad (función de onda) y en el momento en que el fotón golpea la pantalla, hay una posición con la probabilidad más alta. Solo los átomos alrededor de esa área pueden absorber el fotón. Y solo los átomos alrededor de esa área con un espacio de energía coincidente pueden absorber el fotón.

2. La función de onda puede cambiar instantáneamente. El fotón después de la interacción ya no existe. Se transformó en el nivel de energía del electrón.

Ninguna partícula u objeto puede viajar más rápido que la luz según SR. Pero la función de onda es solo información y describe las probabilidades de las características de las partículas. Esas probabilidades pueden cambiar instantáneamente (porque la función de onda no es un objeto físico). Pero incluso si eso cambia instantáneamente, ninguna partícula u objeto de información viaja más rápido que la luz.

Estás luchando con el enigma central de la mecánica cuántica. La idea del colapso de una función de onda está en conflicto con la causalidad, más o menos por la razón por la que te has concentrado. Hasta donde yo sé, la única solución a este enigma es la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica: mientras la pantalla se mantenga aislada del observador, los estados de los átomos en la pantalla se pueden describir como funciones de onda. La función de onda de un fotón entrante altera todas las funciones de onda de los átomos de la pantalla. Sin embargo, tan pronto como mira dentro de la caja de aislamiento lo suficientemente profundo como para medir las funciones de onda de los átomos de la pantalla, su propia función de onda se altera. En la interpretación de los muchos mundos, en ese punto su mundo (es decir, su función de onda) se divide en tantas partes independientes que no interactúan como posibles resultados de su vistazo dentro de la caja.

Editar 8/10/18 En pocas palabras: tienes razón en que el colapso de la función de onda viola el principio de causalidad. El término "problema de medición" abarca ese tema. Este artículo analiza el problema de la medición, pero no proporciona explicaciones claras. Este documento : se sumerge en los aspectos filosóficos de varios enfoques para resolver el problema de la medición, pero es una lectura difícil.

La frustración de tratar de llegar a una interpretación intuitivamente satisfactoria ha llevado al enfoque de "deja de preocuparte por eso y solo haz las matemáticas" de la mecánica cuántica, que funciona, pero no satisface nuestro deseo de entender lo que significan las matemáticas . Finalizar edición