Si un fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

Piénselo de esta manera: un fotón es el evento de detección. Cuando solo hay un fotón, solo hay un evento de detección. La distribución de probabilidad de los eventos de detección está asociada con la función de onda del fotón.

Si el fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

Muy bien, hagamos algunos juegos de palabras:

Esta no es una pregunta bien definida. "Detectar una partícula" no significa nada en mecánica cuántica. Las medidas mecánicas cuánticas son siempre medidas de observables específicos . No existe un acto holístico de "observar todas las propiedades de un sistema a la vez" como en la mecánica clásica: una medida siempre es específica del observable que mide, y la medida altera irrevocablemente el estado del sistema que se mide.

La gente a menudo usa "detectar una partícula" como abreviatura de "realizar una medición de posición de una partícula". Por definición, una medida de posición tiene como resultado una única posición e interactúa con el estado de la partícula que se está midiendo de tal manera que ahora está realmente en el estado en el que se encuentra en esa única posición y en ningún otro lugar. Entonces, si pudiera realizar mediciones de posición que arrojaran ambas rendijas como la posición de la partícula, esto significaría que ha realizado una hazaña imposible: ahora hay dos partículas, cada una en el estado de estar en una rendija y solo esa rendija. La mecánica cuántica puede ser extraña, pero es de esperar que esté claro que no es tan extraño: no podemos duplicar una partícula de la nada con solo medirla.

Si no insiste en "detectar" que significa "realizar una medición de posición", entonces, por supuesto, la configuración estándar de doble rendija es una "detección" del fotón en ambas rendijas: el patrón en la pantalla solo se explica por la función de onda de la partícula pasando a través de ambas rendijas e interfiriendo consigo mismo. Por supuesto, esto es solo un razonamiento indirecto: simplemente no hay un observable cuyos estados propios correspondan ingenuamente a "hemos detectado el fotón en ambas rendijas a la vez".

Por último, parece que confunde "interactuar" con "medir" o "detectar". Por supuesto, podemos interactuar con la partícula en ambas rendijas; simplemente no podemos realizar mediciones de posición (u otras mediciones de "hacia dónde") en ambas rendijas y esperar que produzcan el resultado imposible de la partícula dividida en dos. Pero si observa configuraciones más sofisticadas como los borradores cuánticos, ciertamente hay interacción con la partícula en ambas rendijas, solo configure cuidadosamente para no destruir el patrón de interferencia y, por lo tanto, no obtener información utilizable en qué dirección.

Ya hemos tenido muchas respuestas (porque este problema las invita ), pero permítanme ofrecer una forma más de pensar al respecto. (Hasta donde puedo decir, esta es la interpretación de la mecánica cuántica más cercana al punto que expondré. Como @PedroA señala a continuación, lo que sigue depende de la interpretación).

Si el fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

Creo que te estás imaginando que nosotros, como científicos con nuestro detector, somos un sistema clásico que estudia uno independiente de mecánica cuántica. Pero todo el experimento, incluido el detector y quienquiera que lo inspeccione, también es parte de la configuración de la mecánica cuántica. Nuestra superposición no es solo del fotón que pasa a través de la rendija$1$y su paso a través de la rendija$2$; se trata de nosotros detectando uno y nosotros detectando el otro.

Desde el punto de vista del ojo de Dios (si es que existe), estamos superpuestos entre anunciar un resultado y anunciar el otro. No estamos fuera de un sistema mecánico-cuántico con una visión tan divina y, por lo tanto, no vemos la totalidad de la superposición. Por lo tanto, solo vemos un resultado, no un poco de ambos.

Estás pidiendo una respuesta que tenga sentido.

La mecánica cuántica no fue diseñada para tener sentido. Fue diseñado para obtener respuestas correctas. No puedes esperar que tenga sentido. No es para eso.

Si quieres una historia que tenga sentido (pero que pueda estar equivocada), aquí tienes una: la luz que viaja por el espacio se comporta exactamente como una onda. No hay problema alguno en que una onda atraviese dos rendijas al mismo tiempo. Eso simplemente se desvanece.

Nuestros métodos para detectar la luz son todos métodos cuantificados. La luz cambia un cristal en una película fotográfica. O pone en marcha un tubo fotomultiplicador. Etc. Todos dan detección cuantificada. Si desea un detector que le diga la amplitud de la onda, necesita algo que tome tantas medidas cuantificadas que promedien algo que parezca continuo.

Dado que las medidas están cuantificadas, por supuesto QM predecirá los resultados cuantificados. Eso es lo que debería hacer si va a obtener respuestas correctas. Obtendrá respuestas que sean compatibles con los datos.

Puede haber algunas rarezas en cómo la luz interactúa con los átomos. Esos afectarán los datos. Pero no se conocen rarezas sobre la luz que viaja por el espacio, todo es totalmente compatible con la luz que viaja como una onda.

QED se trata en parte de describir la luz como partículas cuánticas que se comportan exactamente como ondas. Hay muchos comentarios sobre las funciones de probabilidad, etc. Es más simple y fácil describirlo simplemente como una onda, pero QED también obtiene las respuestas medidas correctas.

Sí podemos, pero los detectores no deberían destruir por completo la coherencia. Si no, el patrón de interferencia desaparecerá. Por ejemplo, dos filtros de polarización paralelos no deberían destruir la interferencia.

¿Se puede detectar el fotón en ambas rendijas? Por supuesto que no, ni siquiera se puede detectar en una rendija... solo se detecta cuando la energía del campo EM colapsa y excita un electrón... la ciencia actual no puede detectar cuándo un fotón pasa cerca de un electrón (en una rendija) y tal vez lo perturbe de alguna manera. Entonces, ¿por qué te importa si un fotón pasa por una rendija o por la otra? ... te importa porque estás tratando de explicar este patrón misterioso que aparece en la pantalla y te han dicho que se debe a una "interferencia". Históricamente se ha descrito como un patrón de "interferencia" porque el patrón se parecía mucho a la interferencia de ondas de agua. (Y, por supuesto, esta es la base de la naturaleza ondulatoria de la luz descrita.

Pero hay 2 aspectos que debe tener en cuenta en el pensamiento moderno, 1) caminos permitidos por Feynman y 2) función de onda de fotones. 1) Feynman atacó el mismo problema que usted está atacando, y su prueba final fue que los fotones necesitaban viajar n veces un múltiplo de su longitud de onda... al igual que la longitud de una cuerda de guitarra solo puede tocar una nota (o frecuencia) y también muy parecido a una cavidad láser donde, si las dimensiones no son correctas, los fotones no se propagarán en la ruta deseada. (Tenga en cuenta que la explicación de Feynman también da cuenta de las observaciones en los experimentos de un solo fotón). 2) cuando John Renee destaca que el fotón está deslocalizado e incluso expresa que el fotón es una esfera borrosa, esta es la función de onda del fotón descrita en palabras. Para llevar la descripción más lejos, podemos decir que la esfera se hace más y más grande a la velocidad de la luz hasta que se encuentra el átomo "receptor" y decide (por probabilidad y QM) que tomará toda la energía. En este punto, la esfera colapsa y toda la energía pasa al átomo "receptor". Tal vez uno podría argumentar que la esfera difusa era un gran fotón virtual sin energía y que el fotón real es donde va toda la energía y toma el mejor camino hacia el átomo receptor, quién sabe.

Feynman ha demostrado que el fotón no necesita pasar a través de 2 rendijas para tener una propiedad de "interferencia" similar a una onda, ha demostrado que la luz es una onda porque viaja en caminos que son armónicos, es decir, el camino recorrido depende del fotón. energía/longitud de onda. La función de onda del fotón (John Rennie) nos dice que el fotón busca un camino en todas partes... y finalmente colapsa en un solo átomo/electrón. Entonces, en conclusión, diría que ambas respuestas son correctas ... ¡pasa a través de 1 rendija y ambas rendijas! ... pero es indetectable hasta la pantalla.

Primer intento: todos sabemos que si solo bloqueamos una rendija, definitivamente atravesaría solo una de ellas.

Lo único que puedes hacer para saber que de alguna manera se puede postular que un fotón pasa por distintas rendijas en un momento dado es si desbloqueas la 2ª rendija.

Si detecta y adquiere conocimiento sobre si ha pasado por las rendijas, entonces solo causó decoherencia y ya no se superpone.

Puedes volverte más loco por eso, pero no es necesario. No obtendrá más evidencia que la apariencia del patrón de interferencia, está bastante a favor de lo que quiere probar que está ocurriendo en la realidad :)

PD:

No tiene que medir. Puede tener un período arbitrariamente largo entre cada fotón emitido y regresar años más tarde para encontrar un gráfico de dispersión que converge en un patrón de interferencia en la pantalla. Antes de que pase el tiempo suficiente para que el mod al cuadrado llegue realmente a la pantalla, no interactuará (con el aire). Una vez que llegue a la pantalla, ocurrirá una interacción de acuerdo con la expectativa de ejecución del mod al cuadrado.

El fotón pasa por ambas rendijas.

Tenga en cuenta que esto es realmente solo la aproximación más cercana de lo que sucede para lo que tenemos lenguaje. Nada puede existir en dos lugares a la vez, y QM no cambia eso.

Sin embargo, hace algunas cosas con probabilidad e incertidumbre que solo podemos describir como "totalmente raras".

En mi muy poco humilde opinión, la mejor manera de pensar en ello es como una forma de onda de probabilidad que viaja, como cualquier otra onda que viaja. Por ejemplo, podría calcular que tiene un 50-50 por ciento de posibilidades de pasar por cualquiera de las ranuras. Luego, después de las rendijas, las ondas de probabilidad interfieren y crean el patrón de interferencia conocido.

Si, en cambio, mide el fotón, entonces es como si lo emitiera desde esa ubicación específica (ya que sabe dónde está el fotón y ya no tiene forma de onda), creando así una distribución normal simple.

Tenga en cuenta que esto NO es más preciso que decir que está en dos lugares a la vez (que yo sepa, al menos). Pero es una forma de pensar en ello que produce una imagen mental que es básicamente igual de precisa.

Si el fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

Si toma en serio la teoría de muchos caminos de Feynman (integral de camino) de QM utilizada en la Teoría cuántica de campos, hay evidencia de que la partícula no solo pasa por las dos rendijas, sino que en realidad toma todos los caminos posibles. Eso significa que parte de su "camino" incluye dar la vuelta al sol, luego a Júpiter, y regresar a la tierra para hacer una señal en una pantalla. Tome todos los otros caminos posibles que se le ocurran, súmelos y ese es el "camino" de las partículas. En ese sentido, un camino definido es una idea muy clásica.

En su lugar, piense en las probabilidades de estar en varios lugares.

Modifiquemos su experimento mental y pensemos en lo que sucede si colocamos 1 detector detrás de la rendija izquierda. Tan pronto como se agrega ese detector, los patrones de interferencia desaparecen. Obtenemos resultados clásicos (quizás una sola rendija, no estoy seguro) tanto en nuestro detector como en nuestro lienzo original que captura el lado derecho. Tan pronto como intentamos detectar por qué rendija pasa, QM vuelve a los resultados clásicos que dan respuestas concretas sobre por qué lado pasó la partícula. En ese momento no pasó por ambos, pasó por uno como una partícula clásica.

En cuanto a por qué, realmente no lo sabemos. Vea aquí un experimento reciente que intenta responder a esto. https://phys.org/news/2011-01-which-way-detector-mystery-double-slit.html

La mecánica cuántica es una herramienta para responder preguntas. Le haces una pregunta configurando un experimento y haciendo una medición. Responde a esa pregunta, y sólo a esa pregunta.

Si configura una fuente de luz, dos rendijas y una pantalla, y observa los destellos en la pantalla, entonces la pregunta que se hace es "¿cómo depende la probabilidad de que llegue un fotón de la posición en la pantalla?". Repita con suficientes fotones y se acumula un patrón en la pantalla.

Esta configuración no puede decirle nada sobre la ruta del fotón desde la fuente de luz hasta la pantalla, o si el fotón existe entre ellos. Si desea investigar el camino, entonces cree un experimento diferente con pantallas a lo largo del camino que cree que podrían estar involucrados, y si hay destellos, entonces tendrá una respuesta a '¿estaba aquí?'. Lo que no tendrás es un patrón de interferencia en la pantalla, porque ese fue un experimento diferente, sin las pantallas intermedias, una pregunta diferente.

¿Por qué QM no responde dónde está en todo momento? no lo sabemos Solo hemos sido lo suficientemente inteligentes hasta ahora para crear una teoría que le diga qué sucede en la medición. Es una buena teoría, funciona extraordinariamente bien, en lo que sirve.

¿Existe la posibilidad de alguna teoría más profunda que pueda decirle qué sucede antes de una medición? No sé. Estoy bastante intrigado por el mundo basado en eventos de Lee Smolin, donde el tiempo es real, pero la distancia es un fenómeno emergente, lo que explica el enredo de una manera bastante alucinante.

Si el fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

El fotón "atraviesa ambas rendijas" no es realmente una descripción con la que me sienta cómodo. Un fotón es un potencial cuantificado para causar un efecto. Su existencia espacial se puede describir en la forma/función de una onda sujeta a la configuración de doble rendija. Esta función de onda está distribuida espacialmente, pero solo puede causar un único efecto cuantificado en su dominio.

Básicamente, la naturaleza de las partículas cuánticas se puede describir mediante funciones de onda, pero sus interacciones son discretas: la onda interactúa como un todo o no interactúa en absoluto.

Cualquier "detección" se basará en un efecto, y tener un efecto consume el fotón.

El fotón pasa por un deslizamiento, su función de onda pasa por ambos.