¿Un solo fotón siempre está polarizado circularmente?

Para un solo fotón, la única pregunta similar físicamente significativa es si la polarización circular es levógira o levógira. La mecánica cuántica puede predecir las probabilidades de estas dos respuestas. Un experimento, una medida de L/R, también produce una de estas respuestas. Después de la medición, el fotón se polariza circularmente hacia la izquierda o hacia la derecha.

Si se prepara un fotón en un estado general, tiene probabilidades distintas de cero tanto para L como para R. En tal "superposición", tal vez podamos decir que el fotón único no tiene polarización circular. Esta declaración significa que no estamos seguros de cuál de las polarizaciones se medirá si se mide. Pero cuando se mide la polarización circular, siempre se obtiene una respuesta, según el resultado de la medición.

Las polarizaciones lineales son las superposiciones no triviales más simples de L y R. El valor absoluto de ambos coeficientes,$c_L$y$c_R$, es el mismo mientras que la fase relativa codifica el eje en el que se polariza el fotón.

El documento citado en la pregunta es completamente incorrecto. Un ejemplo de una declaración muy equivocada es que el fotón polarizado linealmente que se mueve en el$z^+$dirección lleva$J_z=0\cdot\hbar$. En realidad, es seguro que un fotón polarizado linealmente o cualquier otro fotón no tiene$J_z=0\cdot\hbar$. Un fotón polarizado linealmente tiene el 50% de probabilidad de ser$J_z=+1\cdot\hbar$y el 50% para tener$J_z=-1\cdot\hbar$. El valor esperado$\langle J_z\rangle = 0$pero sigue siendo cierto que el valor$J_z=0\cdot\hbar$está prohibido.

Una cuestión diferente es la polarización de una onda electromagnética. Para una onda, por ejemplo, la luz, uno puede distinguir izquierda-derecha y derecha y$x$-linealmente y$y$-Polarizaciones lineales y elípticas de todo tipo que uno pueda imaginar. En términos de fotones, una onda electromagnética macroscópica es el producto tensorial de muchos fotones. Si todos estos factores tensoriales están polarizados linealmente (o circularmente), entonces se puede decir que la onda está polarizada linealmente (o circularmente). Debido a que la polarización de toda la onda requiere cierta correlación en el estado de los fotones individuales, se puede medir que una onda no esté polarizada circularmente en ninguna dirección. Pero un fotón individual siempre está polarizado circularmente en una de las direcciones cuando se mide la respuesta a esta pregunta.

El documento puede presentar experimentos propuestos que se pueden realizar, pero lo que es completamente inválido es la interpretación del autor de este experimento, incluso las "interpretaciones posibles" antes de que el experimento se realice realmente. La descripción correcta de la mecánica cuántica no está incluida entre sus teorías candidatas con las que quieren describir el experimento.

Respondiendo a mi propia pregunta para cerrar un debate demasiado largo que, en mi opinión, se calentó demasiado.

Para resumir :

De acuerdo con la física convencional, la mecánica cuántica: No, un solo fotón no siempre está polarizado circularmente. Vea la buena respuesta de Lubos si desea más detalles.

El artículo es ciencia poco ortodoxa, ya que propone una prueba para falsificar en mecánica cuántica.

Un pequeño consejo para cualquier principiante en el campo como yo, tenga en cuenta que debido a que ha habido muchos intentos fallidos de falsificar QM en el pasado, si habla de cualquier nuevo experimento para falsificar, será considerado como un chiflado.

Una pequeña broma de la profecía autocumplida de QM para terminar en un tono más ligero: "Obviamente, debido a que vivimos en un mundo de QM, cualquier experimento que falsifique QM no puede suceder" :)

En el nivel de la mecánica cuántica, este artículo respalda la respuesta anterior de Luboš Motl de que un solo fotón, independientemente de la longitud de onda y la energía, siempre está polarizado circularmente, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda cuando se mide.

La pregunta, que depende de la fase, se marcó como respondida hace muchos años, sin embargo, continúa el debate sobre cómo se ve realmente un solo fotón "en vuelo", es decir. antes de que se mida. La paradoja es que la medición colapsa la función de onda. Tratando de evitar esta paradoja, Radosław Chrapkiewicz y otros publicaron "Holograma de un solo fotón" en Nature julio de 2016, versión previa a la publicación (gratuita) aquí .

Los autores comienzan su artículo reconociendo lo difícil que es recuperar la información que caracteriza a un fotón debido a la "fase global completamente indeterminada que sigue a la perfecta simetría rotacional de sus funciones de Wigner en el espacio de fase".

Diseñaron un experimento para medir la información de más de 2000 fotones individuales que llegan con el tiempo, donde cada fotón detectado era uno de un par entrelazado de polarización de dos fotones. Los resultados acumulados construyeron un holograma que sienten que representa más de cerca el de un solo fotón:

Como mínimo, la representación holográfica de un solo fotón se suma a las ilustraciones de luz comúnmente vistas, que también se usan a veces para representar un solo fotón, que datan de la era de James Clerk Maxwell y todavía se usan ampliamente en la actualidad, y que algunos encuentran confusas y contrarias a la intuición. :

Incluso si funciona para una superposición de al menos dos fotones, es mucho menos claro cómo podría representar un solo fotón, ya que se parece más a una onda estacionaria que a una onda viajera. Para los lectores que se preguntan cómo los campos eléctrico y magnético de una onda viajera pueden ser cero simultáneamente para múltiples fotones, vean esta pregunta y sus respuestas.

Como los lectores de esta pregunta están más interesados ​​en la representación de un solo fotón, la siguiente ilustración helicoidal (o su espejo) es, según el primer artículo al que se hace referencia, una representación más útil de un fotón individual:

Las representaciones de un solo fotón, si la vista "siempre polarizada circularmente" es la correcta, revelan que las proyecciones en cada plano se dibujarían con mayor precisión 1/4 de longitud de onda traducida entre sí:

Sin embargo, si se aplica a fotones individuales, todas las caricaturas implican una longitud infinita para fotones individuales que no está respaldada por experimentos, lo que nos recuerda que todas las ilustraciones tienen limitaciones.

Este artículo afirma que el debate es al revés, que los experimentos prueban que los fotones individuales pueden polarizarse linealmente de manera absoluta.

@darkblue aceptó una respuesta "no" hace casi 7 años, pero parece más probable que el debate continúe y, con suerte, agregar nuevos resultados experimentales ayudará a proporcionar un contexto equilibrado para los futuros interesados ​​en la misma pregunta.

Hay un gran malentendido acerca de qué es el giro de un fotón. El campo B y E ortogonal permanente podría tener una orientación hacia la izquierda o una orientación hacia la derecha (consulte la última página de esta elaboración) .

Para los polarizadores, solo es importante cómo se orienta el campo E de los fotones hacia las rendijas, en el caso de que pasen fotones de 0 ° y 180 ° de ambas orientaciones de espín. (Y los polarizadores ingeniosamente diseñados rotan los fotones con +/- 45° con respecto a las orientaciones mencionadas anteriormente, por lo que se obtiene un 50 % de transmitividad).

Para los fotones, que pasan por calcita birrefringente, la orientación del espín juega un papel importante. La calcita separa las dos orientaciones de espín. Esto está claro porque incluso la luz polarizada se dividirá en dos haces.

La luz de orientación circular tiene un momento de rotación de la fuente que la emite. Los campos E y B giran juntos. Por supuesto, uno podría sentirse libre de representar la luz polarizada lineal como una superposición de un estado giratorio en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Pero esta matemática también se puede hacer con el estado de un balón de fútbol.