Disparar un solo fotón a través de una doble rendija

Considere la imagen de abajo. Muestra un experimento de doble rendija pero con un solo fotón a la vez. Mi pregunta es la siguiente :

¿Por qué los fotones siempre toman un camino diferente cuando se disparan al mismo objetivo? ¿Dónde está la incertidumbre? Si lo disparamos exactamente en el medio de las dos rendijas, ¿por qué tiene una probabilidad del 50-50 de entrar en cualquiera de las dos rendijas? ¿Y por qué la cantidad de difracción para un solo fotón siempre es diferente?

Sé que la gente dirá que el fotón entra por las dos rendijas al mismo tiempo y cosas por el estilo. Pero, ¿alguien tiene una explicación intuitiva de por qué sucede esto? ¿Por qué un fotón, disparado con la misma frecuencia y exactamente en la misma dirección, todavía tiene la probabilidad de entrar en cualquiera de las dos rendijas? ¿Por qué la difracción de un solo fotón es diferente para la misma longitud de onda?

Entonces, en resumen, ¿por qué un solo fotón que se dispara exactamente en el mismo porqué que el anterior, termina estando en un lugar diferente? Espero una respuesta con la menor cantidad posible de matemáticas (si corresponde). ¿O es que un fotón no puede dispararse exactamente igual que el anterior?

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Fuente de la imagen: http://abyss.uoregon.edu/~js/images/photon_double_slit2.gif

Más información sobre fotones individuales en YDSE: physics.stackexchange.com/q/76162/2451 , physics.stackexchange.com/q/70855/2451 y enlaces allí.

Respuestas (3)

Los fotones no tienen una trayectoria bien definida. El diagrama los muestra como si fueran pequeñas bolas que recorren una trayectoria bien definida, sin embargo los fotones están deslocalizados y no tienen una posición o dirección de movimiento específica. El fotón es básicamente una esfera difusa que se expande lejos de la fuente y se superpone a ambas rendijas. Por eso pasa por ambas rendijas.

La posición del fotón solo está bien definida cuando interactuamos con él y colapsamos su función de onda. Esta interacción sería normalmente con el detector. Si interactuamos con el fotón, para definir su posición, antes de que llegue a las rendijas, el patrón de difracción desaparece.

Estoy de acuerdo, pero ¿no es siempre el primer disparo como fotón? ¿Y no parece muy contrario a la intuición que pueda atravesar ambas rendijas al mismo tiempo? ¿Podemos decir que es imposible disparar un fotón en la posición exacta que apuntamos?
@rahulgarg12342: En el momento de la emisión, la magnitud del impulso del fotón está razonablemente bien definida, pero la dirección del impulso no. Por eso el fotón no tiene una posición bien definida mientras se propaga. Si define el impulso con la precisión suficiente para asegurarse de que el fotón pasa por una de las rendijas, no obtendrá un patrón de difracción.

El problema con la imagen (y probablemente con su comprensión del proceso físico) es que asume fotones como partículas clásicas en trayectorias bien definidas. Si esta fuera una imagen real de la realidad, su objeción estaría justificada. Esto, sin embargo, no es así.

Para describir correctamente el proceso, hay que reconocer la naturaleza cuántica del fotón. La mecánica cuántica nos dice que las partículas no tienen trayectorias bien definidas, solo se pueden hacer afirmaciones sobre probabilidades, que a su vez se pueden calcular a partir de su función de onda. Entonces, si tiene un sistema como el de doble rendija donde las probabilidades de que el fotón pase por cada rendija son iguales, no se puede hacer una declaración definitiva sobre lo que sucederá, ni siquiera si tiene una sola partícula.

Para aclarar esto aún más, también se puede pensar en términos del principio de incertidumbre de Heisenberg: no es posible determinar el momento y la posición simultáneamente. Un impulso bien definido implica una gran incertidumbre en la posición.

Soy consciente de la dualidad QM y onda-partícula. Todo lo que quiero preguntar es si puedes disparar un fotón hacia un solo objetivo, lo que probablemente no sea posible.
@ rahulgarg12342: no debe esperarse que su intuición innata de la mecánica newtoniana (el mundo que vemos a nuestro alrededor) se aplique al mundo cuántico de los fotones (o la relatividad para el caso). Si bien dices que eres "consciente" de QM y de la dualidad onda-partícula, aún no la has internalizado y permaneces atascado en tu (defectuosa) intuición.
@JonCuster Entiendo tu punto y gracias por el consejo. Sólo un último bit. ¿Puedo decir, por tanto, que es imposible disparar un fotón exactamente en el mismo punto que el anterior?
@ rahulgarg12342: eso es cierto, a priori solo sabes la probabilidad de que esté en un punto definido, no que esté allí con certeza.

"Soy consciente de la QM y la dualidad de partículas de onda. Todo lo que quiero preguntar es si puedes disparar un fotón hacia un solo objetivo, lo que probablemente no sea posible".

Y

"@JonCuster Entiendo tu punto y gracias por el consejo. Solo un último detalle. ¿Puedo decir que es imposible disparar un fotón exactamente en el mismo punto que el anterior?"

Ok, entonces esta es la verdadera pregunta. Y la respuesta es sí, puedes disparar dos fotones en el mismo punto. es banal Apunte un láser apuntando a la pared. Sin embargo, al usar un puntero láser no puede reproducir el experimento que mencionó.

Disparar un solo fotón a través de una doble rendija
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