¿Qué teoría explica la trayectoria de un fotón en el experimento de doble rendija de Young?

Su pregunta toca los rasgos característicos y las controversias de la mecánica cuántica. Desea saber si alguna teoría puede predecir o explicar por qué rendija pasó un fotón en un experimento de doble rendija.

Con algunas advertencias, la respuesta es que no existe tal teoría. La relatividad, la teoría cuántica de campos, la teoría de cuerdas, etc., no dicen nada sobre los acertijos de la mecánica cuántica. En mecánica cuántica, no tiene sentido hablar del comportamiento de un sistema entre sus observaciones. En ese momento, no tendrá valores definidos para cantidades observables y fotones, etc., no seguirá caminos definidos, sino superposición de todos los caminos posibles.

En otras palabras, cuando escribes

En el experimento de la doble rendija de Young, sabemos que un fotón atraviesa cualquiera de las rendijas, pero no sabemos cuál, y termina en una pantalla.

necesitas tener cuidado. Si no realizamos la medición, todo lo que sabemos es que el fotón estaba en una superposición de todos los caminos posibles, algunos pasando por la primera rendija y otros pasando por la segunda rendija. La intuición clásica de que el fotón debe haber atravesado una de las dos rendijas y no la otra es incorrecta.

Ahora, por supuesto, muchos a lo largo de los años se opusieron a esta situación e intentaron construir las llamadas teorías de " variable oculta ", en las que un sistema tenía un comportamiento predecible, incluido el camino en un experimento de doble rendija. Sin embargo, resultó que existen fuertes restricciones en tal teoría (por ejemplo, las desigualdades de Bell): el hecho es que los experimentos demuestran un comportamiento mecánico cuántico en lugar de un comportamiento clásico.

Parece bastante improbable que se pueda construir una teoría en el futuro que esté de acuerdo con nuestras observaciones y prediga/explica qué camino atravesó un fotón en un experimento de doble rendija. Las franjas de interferencia en la pantalla resultan del hecho de que las partículas no viajan a través de una rendija definida.

Los fotones son partículas elementales y como tales obedecen las leyes de la mecánica cuántica . La mecánica cuántica es el marco subyacente de la naturaleza, a nivel microscópico; La mecánica clásica, la electrodinámica clásica son teorías macroscópicas que surgen del marco mecánico cuántico subyacente.

A diferencia de la mecánica clásica, donde las trayectorias de las partículas se pueden calcular como funciones de (x, y, z, t), las soluciones mecánicas cuánticas dan solo la probabilidad de encontrar la partícula en (x, y), en este caso, las rendijas. La mecánica cuántica describe bien el comportamiento de los fotones que inciden en dos rendijas .

Las funciones de probabilidad son el cuadrado complejo conjugado,$\Psi\cdot \Psi^*$, de la solución mecánica cuántica,$\Psi$, del sistema "dos rendijas y sus campos un fotón incidiendo". Estas soluciones son sinusoidales, por eso$\Psi$se llama función de onda, porque las ecuaciones mecánicas cuánticas son ecuaciones de onda. Debido a este comportamiento funcional, aparecen patrones de interferencia incluso cuando el fotón incide uno por uno. Esto es muy claro con el experimento simple de electrones individuales a través de doble rendija , donde se ve la lenta acumulación de interferencia en los datos acumulados (una medida de la función de probabilidad).