Combien de photons sont nécessaires pour faire une onde lumineuse?

Cierge magique

Combien de photons sont nécessaires pour faire une onde lumineuse?

Quel est le plus petit nombre de photons nécessaires pour faire une « onde lumineuse »? En d’autres termes, combien de photons (cohérents?) Commencent à présenter un comportement classique?

Par exemple, combien de photons sont nécessaires pour obtenir une polarisation linéaire? (Le photon unique a une polarisation circulaire.)

David Z ♦

Les commentaires ne sont pas pour une discussion approfondie; cette conversation a été déplacée vers le chat .

Réponses

hsinghal

Même s’il y a un seul photon dans un volume de votre choix, la lumière est toujours une onde.

Une expérience a été réalisée qui l’a prouvé. Dans cette expérience, un interféromètre de Michelson a été installé et la lumière incidente est si faible qu’un seul photon était dans l’ensemble de l’installation à la fois. Une plaque photographique a été utilisée pour détecter le motif d’interférence. Imaginez maintenant qu’un photon est divisé par le séparateur de faisceau et combiné sur le détecteur pour donner le motif d’interférence.

Après plusieurs heures d’exposition, les gens ont récupéré le motif d’interférence classique est généré (comme si un photon s’est interféré avec lui-même).

Par conséquent, le motif d’interférence (la preuve classique que la lumière est une onde) n’est que notre perception, il reste une onde tout le temps, qu’il s’agisse d’un photon ou d’un million.

CuriousOne

J’étais sur le point de vous donner un +1 pour votre première phrase, ce qui est vrai, mais malheureusement, le reste n’est pas une sagesse conventionnelle non reflétée au niveau secondaire et ce n’est même pas correct à la limite. La gradation des lumières n’est pas une expérience physique qui peut nous dire quoi que ce soit sur l’électrodynamique quantique. Le champ électromagnétique à ces énergies et amplitudes n’interagit pas avec lui-même, ce qui signifie que la luminosité n’est pas un paramètre physique qui modifie le système. La seule interaction QED ici est dans le détecteur et c’est la seule chose qui n’est pas analysée par ce scénario.

CuriousOne

Je comprends d’où cela vient et ce n’est pas de votre faute, mais, comme je l’ai dit, les manuels enseignent la mauvaise chose ici. Un interféromètre peut tester la nature ondulatoire de la lumière, mais c’est une expérience classique. Cela ne dit rien sur la quantification. Le motif tacheté sur la plaque teste l’interaction des produits chimiques sur la plaque avec le champ em, mais il le fait complètement indépendamment du motif. Vous pouvez projeter une image inégale de George Washington ou Pokémon sur une plaque photographique et arriver aux mêmes conclusions. L’interféromètre est un élément complètement superflu.

CuriousOne

Les photons ne prennent pas de chemins. Vous ne pouvez pas écrire votre nom sur un, puis le jeter dans l’expérience et ensuite trouver celui avec votre nom à différentes parties de celui-ci à différents moments. Vous devez apprendre à vivre sans l’existence corporelle du photon. Il n’est pas soutenu par une seule expérience. Pire encore, les statistiques sur les photons se comportent comme Bose-Einstein, qui est pour les quanta de spin entiers indiscernables, qui est différent de Fermi-Dirac pour les quanta de spin fractionnaires indiscernables, qui est différent des statistiques pour les objets macroscopiques distinguables.

CuriousOne

La lumière se comporte toujours comme un champ quantique. La seule question est de savoir si vous testez ou non des fonctionnalités de ce champ quantique. Dans l’effet photoélectrique, vous les testez parce que vous vous concentrez sur l’interaction lumière-matière qui implique des électrons. Dans l’interféromètre faible, vous ne les testez pas parce que vous vous concentrez sur la théorie libre, qui est aussi ennuyeuse que pour le QED. Ce que vous ne faites pas, c’est de tester le QED si aucune affaire n’est en cause, sauf si vous avez un collisionneur gamma-gamma. La façon dont je peux dire que vous ne le faites pas, c’est que personne n’a encore construit une telle installation.

CuriousOne

Vous n’avez pas besoin de lire sur QED à cet effet. Si vous voulez savoir ce qui se passe lorsque vous vous accrochez trop durement à l’image des particules, vous pouvez lire « QED: L’étrange théorie de la lumière et de la matière » de Feynman, dans lequel il donne une introduction indolore aux intégrales de chemin. Vous y verrez à quoi doit ressembler une interprétation des particules de la mécanique quantique pour reproduire les prédictions correctes de la mécanique quantique. Je l’appelle l’interprétation Santa Clause de QM parce que le noyau intégral du chemin doit visiter tous les points de toutes les manières possibles en une nuit. 🙂

Anna v

Correction, un seul photon n’a pas de polarisation circulaire. Il a un spin +1 ou -1 dans la direction de son mouvement.

Qualitativement

Polarisation circulaire gauche et droite et leurs moments angulaires associés.

La façon dont l’onde classique émerge du niveau mécanique quantique des photons est donnée dans cette entrée de blog , et elle a besoin de la théorie des champs quantiques pour la comprendre. En résumé, la fonction d’onde d’un photon est contrôlée par une équation de maxwell quantifiée, et la fonction d’onde complexe possède les informations et les phases nécessaires pour construire le champ électrique et magnétique classique de l’onde électromagnétique classique.

Le nombre de photons pour une fréquence de lumière donnée peut être estimé en divisant la puissance classique par l’énergie de chaque photon individuel. Une estimation de l’ordre de grandeur du moment où le comportement classique apparaît peut être vue dans cette expérience à double fente

caméra à photon unique enregistrement de photons à partir d’une double fente éclairée par une lumière laser très faible. De gauche à droite: une seule image, superposition de 200, 1’000 et 500’000 images.

Les photons uniques inférieurs à 200 en nombre semblent pratiquement aléatoires sur la photo On voit que déjà avec 1000 photons l’interférence de type classique est évidente.

Cela démontre également la nature probabiliste du comportement spatial du photon, car le motif d’interférence classique mesure la probabilité de trouver un photon en (x, y). En même temps, la nature macroscopique et ponctuelle d’un seul photon, un point sur le ccd, est évidente.

CuriousOne

La question quand l’image classique à double fente apparaît est juste une question de goût, il n’y a aucune physique là-dedans, que ce soit. C’est comme demander et estimer qu’une vitesse classique avec une barre d’erreur de 50% est toujours une vitesse classique, ou non.

Cierge magique

L ‘«événement» de deux photons traversant les fentes en même temps est-il équivalent à deux événements ultérieurs d’un seul photon traversant les fentes? En d’autres termes, lorsqu’un « faisceau de lumière » (de nombreux photons) passe par les fentes, est-il « le même » que lorsqu’un photon à la fois passe par les fentes?

Anna v

@Sparkler. L’interaction photon photon est très fortement réprimée donc, oui c’est équivalent à une simple superposition des fonctions d’onde. Le carré donnera la distribution de probabilité. en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_physics . Notez que le « même temps » pour deux photons est également très improbable. C’est leur grand nombre qui permet la constitution de l’onde classique dans le temps et l’espace, nombres donnés dans une autre réponse.

Luaan

@Sparkler Oui, parce que les photons n’interagissent en aucune façon (d’accord, ils interagissent gravitationnellement, mais la gravité est si faible que nous pouvons l’ignorer ici). Ce qui est classiquement décrit comme une interférence dans une onde est bien décrit par les intégrales de chemin de Feynman – fondamentalement, la lumière se comporte comme si elle tenait compte de tous les chemins possibles qu’elle pouvait prendre, sans égard au chemin qu’elle avait réellement pris (car aucun chemin existe). L’expérience à double fente ne peut pas distinguer les deux, elle suppose toujours que le photon est une particule. Un meilleur exemple serait un réseau / miroir de réfraction.

Anna v

Les interactions @Luaan photon d’ordre supérieur sont encore beaucoup plus fortes que la gravité-photon. Pour les photons à haute énergie, ils conçoivent même un collisionneur gamma gamma.

Lawrence B. Crowell

Regardons les états cohérents

| α ⟩ = e^{- | α |^{2} / 2} e^{α {une}^{†}} | 0 ⟩

e^{- | α |^{2} / 2} \sum_{n = 0}^{\infty} \frac{(α)^{n} ({une}^{†})^{n}}{n!} | 0 ⟩

Si vous avez un système classique, cela signifie que le chevauchement entre les états est faible. Nous regardons ensuite sur les genoux

⟨ α^{'} | α ⟩

⟨ α^{'} | α ⟩ = e^{- (| α |^{2} + | α^{'} |^{2}) / 2} \sum_{m, n = 0}^{\infty} ⟨ 0 | \frac{(α)^{m} {une}^{m}}{m!} \frac{(α^{' *})^{n} ({une}^{†})^{n}}{n!} | 0 ⟩

= e - (| α | 2 + | α' | 2) / 2 \sum m, n = 0 \infty ( α ) m m ! ( α' *) n n ! ⟨M | n⟩