Óptica: doble rendija original: ¿por qué, cuando pasamos un solo fotón a través de una sola rendija, no vemos una banda de luz?

De hecho, en realidad hay un patrón de difracción no trivial formado cuando un fotón pasa a través de una sola rendija, pero no se ve fácilmente, cuando el tamaño de la rendija es muy grande en comparación con la longitud de onda de la luz. La distribución se aproxima muy rápidamente a la distribución clásica esperada en ese límite, y en la llamada zona lejana para difracción.

En el límite donde el tamaño de la ranura, d, está en el mismo orden que la longitud de onda, l, puede ver un patrón de interferencia muy impresionante de una sola ranura.

Por ejemplo, mira aquí (y sigue todos los enlaces):

http: //hyperphysics.phy-astr.gsu …

El objetivo del experimento de doble rendija es que la naturaleza del patrón de difracción cambia radicalmente cuando se introduce la rendija adicional y, por supuesto, en circunstancias en que una sola partícula a la vez pasa a través del aparato, el patrón de interferencia de dos rendijas sigue siendo observado, si uno no ha medido qué hendidura atravesó la partícula individual.

La formulación integral del camino de la mecánica cuántica implica que el fotón puede atravesar una sola rendija en cualquier punto a lo largo de la rendija y que estas posibilidades tienen diferentes amplitudes que interfieren entre sí.

Del mismo modo, el principio de Huygen se puede utilizar para calcular el patrón clásico de interferencia de una sola rendija.

Excelente pregunta!

Editar:

Debo señalar que el patrón de interferencia que publiqué anteriormente no es un patrón de interferencia cuántica para un fotón: en realidad es un patrón de interferencia clásico, recuerde que los fotones son cuantos del campo electromagnético, y que, clásicamente, el campo electromagnético satisface las ecuaciones de Maxwell, que admiten soluciones en forma de onda y son lineales, de modo que los patrones de interferencia y la difracción son el resultado de la teoría completamente clásica.

Pero mi punto es que la teoría cuántica completa también produce un patrón de interferencia para una sola partícula que pasa a través de una sola rendija. Feynman ha calculado el patrón de difracción cuántica para una hendidura de ancho finito único en la formulación integral del camino, y se puede encontrar una derivación en “Integrales del camino en mecánica cuántica de Feynman y Hibbs”.

En el caso de que una sola partícula pase a través de un aparato con una sola rendija y se detecte varias veces, se observa este patrón de interferencia.

Aquí hay un cálculo mecánico cuántico directo del patrón de interferencia cuántica de varios sistemas de simple y doble corte:

http://arxiv.org/pdf/quant-ph/07 …

Aquí hay algunos datos reales, sobre difracción de neutrones a través de rendijas simples y dobles. Se observará que la rendija única produce un patrón de difracción no trivial.

http://members.ift.uam-csic.es/b …

Se observa que el neutrón interfiere consigo mismo en ambos casos, y el patrón de interferencia está bastante de acuerdo con la teoría.

Aquí hay un cálculo del patrón de difracción dependiente del espacio de una sola rendija, para una partícula no relativista masiva, utilizando el formalismo integral de la trayectoria de Feynman. Se da la fórmula explícita para los patrones cuánticos de difracción de rendija simple y doble, en el caso unidimensional:

Página sobre Arxiv

Si es un fotón o electrón, bueno, es solo uno. Por lo tanto, solo activa un detector o hace un punto en la emulsión.

Sin embargo, no es correcto decir que la luz es una onda. Si realmente fuera una ola, como una ola de agua, no veríamos un lugar para esa pequeña cantidad de luz, y ciertamente no estaría localizada. Sería, como supones, un patrón ondulado muy, muy tenue.

Lo mejor que puedo hacer a nivel elemental es decir que los fotones y electrones y, de hecho, todo lo demás en el universo, no es una onda. Tampoco es realmente una partícula; aunque llamamos a esas cosas así, no funcionan como granos de arena realmente pequeños.

Los fotones y electrones y todo lo demás, todas esas cosas que llamamos confusamente partículas, parecen funcionar alrededor de una ubicación en el espacio y el tiempo. Alrededor de esto hay una función de distribución. Puedes pensar que tienes una función de distribución. Fuera de la capa exterior de tu piel no eres tú, y dentro eres tú. Pero dónde estás, dado que está dentro de ti, es incierto. La función de distribución de las partículas disminuye muy rápidamente a medida que se aleja de la ubicación, por lo que, en el caso de cosas grandes, podemos ignorarla.

Como tú, solo podemos decir dónde podemos encontrarte. Dentro de la capa exterior de piel, estás Tú. Afuera, no eres tú. Las funciones de distribución de las partículas, sin embargo, son confusas. También tienen aspectos ondulados y bultos. Basado en lo que están cerca (o incluso ocasionalmente lejos), los aspectos ondulados y grumosos interactúan de maneras interesantes. A veces eso pone de manifiesto el comportamiento ondulado, y a veces el comportamiento irregular.

Hay reglas para predecir el comportamiento, y funcionan muy bien. La mecánica cuántica es quizás la teoría mejor respaldada en toda la ciencia. Sabemos que funciona con una precisión y exactitud increíbles.

Aún así, tenga en cuenta que dije “parece”. El modelo funciona fantásticamente bien. Sin embargo, implica conceptos que nos parecen muy extraños a las grandes criaturas que ignoran la rareza la mayor parte del tiempo. Hay muchos esfuerzos para encontrar algo por debajo de las ideas de QM. A nivel científico, se espera que esto resuelva algunos problemas en física, como por qué la gravedad de todas las cosas nos parece tan diferente. Debería ser el mismo tipo de cosas.

También existe un deseo emocional y quizás filosófico de profundizar en algo que, si lo encontramos, podría tener más sentido para nosotros y parecer mucho más intuitivo. Tal vez lo encontremos, o tal vez lo que encontremos parezca igual de extraño.

Sea lo que sea, no creo que vaya a ser una ola, al menos no del tipo al que estamos acostumbrados. Ciertamente, en este punto, pensarlo como una ola causa más confusión de la que aclara.

Hola david

Gracias por la respuesta. Muy útil, todavía estoy tratando de entenderlo. No me di cuenta de que el fotón interfiere consigo mismo incluso en un solo experimento de rendija.

Para superar mi confusión, ¿hay algún lugar al que pueda enviarme, o una respuesta que pueda proporcionar, que pueda explicar cómo dos posibilidades pueden interactuar entre sí? Si entiendo su respuesta, usted dice que un solo fotón tiene múltiples probabilidades de cómo y dónde cruzará la única rendija, y que estas posibilidades interfieren entre sí para crear un patrón de interferencia (aunque sea mínimo).

Aquí está la base de mi confusión: nos encontramos con probabilidades todo el tiempo. Con información imperfecta, existe la posibilidad de que cualquier cosa pueda estar en cualquier número de estados en un momento dado. Desde mi perspectiva, podría estar sentado frente a su televisor en este momento, o podría estar cocinando algo en su cocina. Pero sus dos potenciales no interactúan entre sí. Estás haciendo una cosa o la otra. Si sus dos potenciales interactuaran entre sí, diríamos que ambos estaban viendo la televisión y cocinando la cena. Entonces, ¿qué hace que un fotón sea tan diferente? ¿Por qué no decimos simplemente que un solo fotón está en dos estados a la vez, y esos dos estados interactúan entre sí (casi como un solo fotón es una colección de ondas en sí mismo)?

Sé que decimos que el fotón está en dos estados a la vez, pero luego terminamos con esta situación de observación (donde el acto de observación “obliga” al fotón a elegir un estado). Pero, según algunas conferencias que he visto, esto no es realmente cierto. No es que el fotón seleccione un estado, es que el fotón fue interferido de alguna manera, y después de ser interferido, se ve diferente de lo que normalmente sería.

No sé si esto tiene sentido. En realidad, no sé mucho sobre olas o partículas, por lo que no sé lo suficiente como para hacer las preguntas correctas. Creo que esta idea de una sola cosa que realmente exhibe cada uno de sus potenciales a la vez es lo que realmente me confunde, y creo que mi confusión es en realidad el resultado de una mala interpretación del vocabulario.