什么决定了光子的方向和它被发射的点?

时间:2022-06-22 10:38:23   作者:
处于激发态的原子将通过发射光子过渡到较低的能态。人们的问题是他们误解了光子到底是什么。光子是一种电磁场模式的单一激发。这通常给出光子的方向解释,因为场模有明确的方向和频率。这听起来很明确,但坚持住。场模也具有无限的空间范围。这是因为定义明确的方向意味着定义明确的动量,根据海森堡测不准原理,这意味着位置没有定义。

我们可以通过量子力学的线性来解决这个问题,它告诉我们场模的叠加仍然是一个解。因此,光子可以表示为场模叠加的单一激发。事实上,我们甚至可以把整个概念颠倒过来,定义一个位置明确但方向不明确的叠加态。

什么决定了光子的方向和它被发射的点

上面的例子说明了光子图像作为一个单一的局域粒子飞向远方是如何令人困惑的。我们还必须考虑光子发射的动量守恒。这强化了光子粒子的理论。给什么?光子发射和原子的最终动量态是纠缠的。这意味着你只能在对光子进行局部探测后才能知道原子的动量反冲。

你可以这样看:光子的方向在被探测到之前是不确定的。这实际上意味着,在某个方向发射的光子的探测是随机的。发射的时间也是随机的。激发态的寿命是有限的,其衰减以指数曲线为特征。这种指数衰减实际上是一条概率曲线。光子在原子被激发后的任何时间都可以被检测到,并且有衰减的概率。然而,即使是这幅图也有一点误导。指数衰减可以理解为光子的波函数时间包络,在此期间探测事件随机记录。

总的来说,光子是一个量子波函数,只有一个能量量子。这意味着探测,也就是能量的转移,实际上会涉及到探测器特性和光子特性的重叠。如果重叠不完美,就会产生随机检测结果,而通常情况下并不完美。

探测的随机特性促使人们认为光子是一个局部的子弹状物体,但事实并非如此。光子的量子波函数是非局域的,所有的量子波函数都是非局域的。量子波函数被解释为概率振幅,这解释了探测事件的随机性。

我们实际上得到的是一个偶极辐射波函数,它可以通过探测很多光子来绘制出来。偶极子发射模式实际上可以通过散焦成像从单个发射器成像。这让我们对光子的量子波函数有了一些了解,光子在经典极限下变成了偶极子发射模式。
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