¿Existe un único fotón blanco?

¿Existe un fotón que tenga frecuencias superpuestas?

(frecuencia de wrt detectada por prisma u otros detectores, no wrt ojo humano ya que solo las células de varilla pueden detectar un fotón que cae en la banda de frecuencia detectable (visible) y el ojo + cerebro percibe el fotón único como gris independientemente de la frecuencia).

Además, con el blanco aquí, no deseo restringir la pregunta que implica todas las frecuencias VIBGYOR o solo RGB, ya que cada color también es un rango de frecuencias y el ojo humano del sensor tricromático blanco solo se emite desde tres frecuencias RGB.

¿O puede ser que los materiales que ralentizan la luz provoquen que un fotón de una frecuencia única y una energía superior se divida en VIBGYOR? || y todo el espectro del rango de detección del ojo humano es VIBGYOR+W (ya que la luz monocromática de alta intensidad también puede ser percibida como blanca por el ojo humano y no está relacionada en absoluto con los sensores de color individuales del ojo humano, sino que por encima de cierta energía por unidad volumen (refiriéndose al área detectora de las células del ojo), lo percibimos blanco, (algo pero no exactamente) similar a la combinación de rojo y verde que el ojo humano + cerebro llama amarillo.

He agregado la descripción adicional para hacer la pregunta más precisa. Si mi descripción causa confusión, quédese con la pregunta original y use la descripción solo para tener una idea de la intención de la pregunta.

En teoría, sí, un fotón puede estar en una superposición de muchas frecuencias diferentes (la frecuencia es básicamente equivalente a la energía mi = h F ). Pero al medirlo, de cualquier manera, siempre colapsará la función de onda en un estado de frecuencia bien definida.
La superposición de diferentes frecuencias como estado de un fotón tiene poco en común con la mezcla de fotones (u ondas) con diferentes frecuencias que produce el color blanco. Todos los términos de la superposición son monocromáticos, no se "mezclan", y cada uno es una imagen completa de lo que podría suceder en la observación. Entonces, el fotón puede existir en un estado superpuesto, pero no será blanco. Por la misma razón, la superposición de gatos de Schrödinger vivos y muertos no es un gato vivo y muerto, a pesar de los conceptos erróneos populares, es más como dos gatos en efímeros "mundos paralelos".
La definición habitual de un fotón es un campo monocromático en el que operan los operadores de escalera. El operador numérico tiene valores propios enteros. No sé cómo funciona esto con una superposición. Nunca he visto tal desarrollo, pero eso no significa que no se pueda hacer. Sin embargo , parece ser algo diferente a la definición habitual de fotón .
La frecuencia de @Quantumspaghettification es frecuencia, ¿cómo puede un fotón tener muchos de ellos?
@bill Creo que quiso decir que es una superposición de estados cuánticos, cada uno con una frecuencia diferente. si intentas medirlo obtendrás un solo fotón en una de las frecuencias, y si lo repites varias veces con la misma preparación inicial obtendrás los porcentajes de fotones dados por las probabilidades de que ese estado esté en uno de los estados propios , es decir, frecuencias.
No estoy seguro de seguir. Solo puedes medir un fotón una vez y solo tiene una frecuencia, que yo sepa.
Si lo estoy visualizando correctamente, ¿los estados cuánticos superpuestos colapsarán en una frecuencia definida por el acto de medición? o los otros estados superpuestos existen pero en universos paralelos y todo/cualquier acto de observación hace que dé un valor definido de frecuencia?
@Quantumspaghettification Descubrí que mientras visualizaba, hasta ahora y antes de su comentario, estaba visualizando fotones principalmente en función de la frecuencia. Ahora creo que considerarlo como un paquete de energía cuántica es un mejor punto de vista. ¿Crees que es mejor así?
@Bob Estoy tratando de escribir una ecuación de estado que involucre la interacción de fotones con moléculas de agua: un grupo organizado de moléculas de agua para ser precisos. ¿Puede sugerir cómo colocar fotones de paquetes de energía cuántica superpuestos en la ecuación para el caso de que no sepa el resultado esperado de la reacción? (Nota: no tiene que ser agua pura, puede contener iones). Cualquier otra sugerencia en este contexto será apreciada.
@BillAlsept La misma razón por la que un electrón puede tener una (superposición de) un giro hacia arriba y un giro hacia abajo. Un fotón puede estar en dos (o más) estados propios de energía diferentes al mismo tiempo. En la medición, solo verá una frecuencia, al igual que al medir el giro de un electrón, solo verá un giro hacia arriba o hacia abajo.
@SPARK Hay un dicho (cuyo origen no puedo encontrar) que dice que un electrón no es una onda, ni es una partícula; es un electrón. Lo mismo vale para los fotones. No creo que considerarlo como un 'paquete de energía cuántica' ayudaría, esto parece implicar que un fotón tiene una energía (/ frecuencia) bien definida; puede que no. Creo que la imagen de un 'paquete cuántico de vibración' es más útil si quieres seguir ese camino. Visualizo de la misma manera que visualizo un electrón, es decir, como una partícula (como una cosa).
@Quantumspaghettification Spin al igual que la polarización se puede medir de una forma u otra, pero eso es diferente a la frecuencia. Solo hay una frecuencia todo el tiempo para un solo fotón mientras viaja. No hay forma de probar que un solo fotón viajero puede tener una superposición de muchas frecuencias ni hay razón para agregar ese nivel de complicación. Cualquier fenómeno de luz se puede derivar en base a la simple descripción de fotones con frecuencias únicas.
Entonces, no estoy muy seguro de si puedes preparar un estado puro que sea la superposición cuántica de 3 colores para que represente el blanco. Sé que solo puedes detectar los eignestates que son frecuencias puras. Y puedes preparar una mezcla, múltiples fotones. Creo que físicamente estoy de acuerdo con @Bill, las superposiciones de espín también son estados propios solo en diferentes bases. No sé si existiría un solo fotón blanco, pero no podrías detectarlo. Tal vez un QM'er pueda arreglar esto
@Chispa - chispear. No estoy seguro de por qué no varios fotones, cada uno con una frecuencia que estadísticamente te da blanco. Tal vez una formulación de densidad cuántica, pero tal vez más fácil con uno de cada uno y una mezcla.

Respuestas (5)

Hay muchas respuestas contradictorias aquí. Los hechos básicos son

  • Sí, un fotón por sí mismo puede estar en una superposición cuántica de diferentes frecuencias, lo que se podría llamar "blanco".
  • No, tal fotón probablemente no pueda ser producido por un proceso natural simple.
  • No, tal fotón no se vería blanco, porque la superposición colapsa con la medición, dando solo una frecuencia. (Solo una de sus células cónicas podría dispararse en respuesta, suponiendo que se dispare en absoluto). Sin embargo, una colección de muchos de estos fotones se vería colectivamente blanca.

Un fotón es axiomáticamente una de las partículas elementales que construyen el modelo estándar de la física de partículas. tiene energia mi = h v dónde v es la frecuencia que se acumulará una gran cantidad de fotones de esa energía. Su masa es cero y su espín +/- 1 en su dirección de movimiento. Se han elegido los axiomas del modelo estándar porque el modelo se ajusta a los datos y lo han validado innumerables experimentos.

Como entidad mecánica cuántica, los fotones pueden estar en superposición, y tres de ellos con las frecuencias apropiadas pueden caer en el grupo que da la percepción de blanco en el diagrama .

No existe una "frecuencia blanca", ya que la percepción del color es un mecanismo biológico.

Un buen enfoque para responder la pregunta es diseñar un experimento que la responda. Hay láseres que emiten haces "supercontinuos", en pulsos intensos. Un pulso es muy corto, del orden de un femtosegundo o menos. Uno de los pulsos, pasado a través de una rejilla de difracción, se despliega en una serie de haces de diferente longitud de onda/frecuencia. Aguas abajo, los haces se pueden recombinar coherentemente para formar un nuevo pulso. Este es un tipo de interferómetro, un interferómetro temporal.

Ahora necesitamos un experimento que produzca un resultado particular si y solo si (A) solo un fotón pasa a través del sistema a la vez, y (b) el fotón debe haber tenido múltiples longitudes de onda. Sabemos por QM que para cumplir la condición (B), nuestro detector debe ser completamente incapaz de detectar la frecuencia del fotón, pero capaz de detectar su hora de llegada. Suponiendo que exista un detector de este tipo, deberíamos poder reducir la intensidad de los pulsos del láser lo suficiente como para garantizar que solo haya un fotón en el aparato a la vez. Si integramos los tiempos de llegada de un gran número de tales eventos de un solo fotón y encontramos que cuando los caminos de los haces están todos desbloqueados, todos los fotones llegan al detector exactamente con el mismo retraso de tiempo, pero que cuando cualquier parte del los caminos tomados por diferentes longitudes de onda están bloqueados,

No sé si se ha realizado este experimento, pero confío en que los resultados mostrarán que cada fotón contiene una mezcla de longitudes de onda. Esto está relacionado con otras discusiones sobre SE con respecto a la longitud de coherencia de un fotón, la forma de un "paquete" de ondas de fotones, etc.

Interesante, especialmente porque se propone un experimento. la pregunta es si mide efectivamente el fotón único dos veces, o diferentes fotones en cada medición (similar al uso de la emisión de dos fotones para la verificación de doble rendija). Creo que ya existe un experimento similar para producir pulsos súper intensos mediante el proceso inverso con un láser de chirrido (FROG - en.wikipedia.org/wiki/Frequency-resolved_optical_gating )
Sin embargo, sigo siendo de la opinión de que cada fotón tiene una única frecuencia precisa definida por su energía. Y que solo puede tener una de dos polarizaciones, circular izquierda y derecha (de lo contrario, ese aspecto no sería cuántico). Es probable que la frecuencia de rotación sea la constante, mientras que la forma de la dirección de viaje sea más wavelet y, en última instancia, sea cuaterniónica (según Maxwell, Art 618/9 IIRC).
Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, el producto de la incertidumbre energética y el tiempo de emisión (que se traduce en fase) siempre es finito. Cada láser tiene un ancho de línea finito, y ese ancho de línea es una característica de los fotones que componen la emisión del láser. Es decir, la frecuencia de cada fotón es indeterminada dentro del ancho de línea del láser.
Para un láser estamos produciendo una gran cantidad de fotones. Hay varias estadísticas de conjunto en el mismo. Sin embargo, en este caso estamos viendo un solo fotón, por lo que el aspecto 'estadístico' no sería válido aquí. En este momento estamos en un escenario catch 22 donde [normalmente] se afirma que no podemos medir o inferir de ninguna manera la medición de estas dos características aparentemente distintas porque la teoría sugiere que están ligadas a la misma constante fundamental (que puede tener un error sistemático, pero no un error experimental...)
Ese argumento podría usarse para decir que no existe ningún fotón en un estado mixto de ningún tipo. En la práctica, producimos muchos fotones en condiciones idénticas y medimos el estado de cada fotón individualmente, como en el experimento de doble rendija de un solo fotón. Aunque las medidas individuales arrojan resultados definitivos, todas las medidas juntas se toman como prueba de que los fotones están todos en el mismo estado mixto.
Estoy afirmando que es posible establecer un experimento cuyos resultados se explican más razonablemente diciendo que un láser que tiene un ancho de línea finito produce fotones de estado mixto que tienen la misma combinación de frecuencias que el láser. Creo que el experimento que propuse encajaría perfectamente.
Si la medición de la polarización de un fotón arroja un valor específico, no prueba que el fotón tenga una polarización definida antes de la medición. De manera similar, si la frecuencia (energía) de un solo fotón se mide para tener un valor específico, no muestra que el fotón antes de la medición tuviera una frecuencia definida.

Creo que, en principio, no hay nada que impida que exista tal fotón. En la práctica, no tengo conocimiento de que exista tal fotón.

Todos los fotones reales tienen un ancho de banda homogéneo finito inversamente proporcional al tiempo de vida de la transición que los produce. Si este ancho de banda es tan grande que cubre el espectro óptico, puede llamar a tal fotón blanco. Sería un pulso de luz muy corto, del orden de una longitud de onda.

Tenga en cuenta que la luz blanca ordinaria es una superposición incoherente de múltiples fotones. Un fotón de ancho de banda amplio tiene que ser un fenómeno coherente.

No creo que esto sea posible. La luz que viaja a través de un medio viaja a velocidades ligeramente diferentes dependiendo de su longitud de onda. Si un único fotón tuviera frecuencias superpuestas, cada frecuencia viajaría a una velocidad diferente, lo que haría que el fotón se manchara, es decir, una frecuencia viajaría antes que otra frecuencia, aunque esto podría ser posible debido al entrelazamiento cuántico.

Esta oración en el artículo de fotones de Wikipedia :

un fotón se describe por su vector de onda , que determina su longitud de onda λ y su dirección de propagación.

implica que un solo fotón solo puede tener una sola longitud de onda/frecuencia, ya que un vector de onda solo describe una sola longitud de onda/frecuencia.

Creo que si tuvieras tres frecuencias de luz viajando en el vacío a lo largo de exactamente el mismo camino y entraran en un prisma al mismo tiempo, encontrarías que de hecho eran tres fotones separados superpuestos. El principio de exclusión de Pauli no se aplica a los fotones, por lo que pueden coexistir en el mismo punto del espacio/tiempo, si tal concepto tiene sentido para una onda/partícula que solo existe a la velocidad de la luz.

Algo que tendrías que considerar es, en primer lugar, ¿cómo se crearía un fotón con una superposición de frecuencias? ¿Qué reacción podría causarlo? ¿Qué experimento repetible podría configurar que demuestre que ciertos fotones tienen múltiples frecuencias, cuando solo puede medir uno por fotón? ¿Cómo distinguiría entre fotones creados al azar en diferentes frecuencias y fotones superpuestos detectados en diferentes frecuencias?

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