Поляризация фотона

Лазерная установка

Известно из опыта, что если линейно поляризованный свет использовать для вырывания фотоэлектронов, то вылетающие электроны будут иметь преимущественное направление. Таким образом, свойства поляризации света тесно связаны с его корпускулярными свойствами, н отдельному фотону можно приписать определенную поляризацию. Так, например, линейно поляризованный в некотором направлении пучок света можно рассматривать как состоящий из фотонов, каждый из которых линейно поляризован в том же направлении, а пучок света, поляризованный по кругу, — как состоящий из фотонов, поляризованных по кругу. Мы будем говорить, что каждый фотон находится в некотором состоянии по.гярюации. Теперь мы должны рассмотреть вопрос о том, как согласовать эти идеи с известными фактами о разложении света на поляризованные компоненты и об обратном сложении этих компонент.
Рассмотрим конкретную задачу.

Пусть имеется пучок света, проходящий через кристалл турмалина, который обладает способностью пропускать только свет, нолярнзо-ванный в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла. Из классической электродинамики известно, что будет происходить при той или иной поляризации падающего пучка. Если этот пучок поляризован перпендикулярно оптической оси, он полностью пройдет через кристалл; если параллельно оси, то вовсе не пройдет; если же он поляризован под углом а к оси, то через крисгалл пройдет часть пучка, равная sinsa. Как понять эти результаты, рассматривая свет как пучок фотонов. Поляризация фотона не является ключевым химическим свойством в физике

Поляризация фотона и пучок света, линейно поляризованного в некотором направлении, следует рассматривать как состоящий из 4 фотонов, каждый из которых линейно поляризован в этом направлении. Такое рассмотрение не вызывает затруднений в случае, если наш падающий пучок поляризован перпендикулярно или параллельно оптической оси, В этом случае нам достаточно лишь предположить, что каждый фотон, поляризованный перпендикулярно осн. проходит беспрепятственно и без изменений сквозь кристалл, в то время как каждый фотон, поляризованный параллельно оси, останавливается и поглощается. Трудность возникает, однако, а случае падающего пучка, поляризованного наклонно (под углом к оси). Каждый из падающих фотонов при этом поляризован наклонно, п неясно, что произойдет с таким фотоном, когда он достигнет турмалина.

Вопрос о том, его произойдет с отдельным фотоном в определенных условиях, на самом деле не является точно поставленным. Для того чтобы поставить его точнее, необходимо представить себе, что производится некоторый опыт, имеющий отношение к данному предмету, и задать вопрос, каков должен быть результат опыта. Только вопрос о результатах опытов имеет действительное значение, и лишь такие вопросы должна рассматривать теоретическая физика.

В нашем примере, очевидно, следует рассмотреть опыт, в котором падающий на кристалл с одной стороны пучок состоит лишь из одного фотона, и наблюдать, что произойдет на другой стороне кристалла. Согласно квантовой механике результат этого опыта будет тот, что иногда на обратной стороне будет обнаружен целый фотон с энергией, равной энергии падающего фотона, иногда же не будет облетать.
ружено ничего. Если будет обнаружен целый с)фотон, он будет поляризоваться перпендикулярно оптической оси. Никогда на обратной стороне кристалла не будет обнаружена дробная часть фотона. Если повторить опыт большое число раз. то число случаев, в которых фотон будет обнаружен на обратной стороне, составит долю sin4 а от общего числа опытов. Таким образом, мы можем сказать, что фотон с вероятностью sin'a может пройти через турмалин и появиться на обратной стороне кристалла, будучи поляризованным перпендикулярно оси, н с вероятностью cos1 а может поглотиться. Эти значения для вероятностен приводят к правильным классическим результатам для падающего пучка, содержащего большое число фотонов.

Таким путем мы сохраняем индивидуальность фотона во всех случаях. Мы можем сделать это, однако, лишь потому, что мы отказались от детерминизма классической теории. Результатопыта неопределен однозначно условиями, находящимися во власти экспериментатора, как должно было бы быть с точки зрения классических представлений. Самое большое, что может быть предсказано, это совокупность возможных результатов и вероятность появления каждого из них.

Приведенное рассуждение о результатах опыта с отдельным поляризованным под углом фотоном, падающим на кристалл турмалина, позволяет ответить на все законные вопросы о том, что произойдет с таким фотоном, когда он достигнет турмалина. Вопросы о том, как происходит выбор, пройдет ли фотон сквозь кристалл или нет и каким образом он меняет направление поляризации при прохождении—эти вопросы не могут быть решены опытным путем, и поэтому можно считать, что они лежат за пределами науки. Тем не менее, для того чтобы связать результаты этого опыта с результатами других опытов, которые могли бы быть произведены с фотонами, объединить их всех в общую схему, требуется более подробное описание. Такое описание не следует рассматривать как попытку ответить на вопросы, лежащие за пределами науки, а как вспомогательное средство для формулировки правил, выражающих и сжатой форме результаты многочисленных опытов.

Квантовая механика дает следующее более подробное описание. Предполагается, что фотон, поляризованный под углом к оптической оси, можно рассматривать как находящиеся частично в состоянии поляризации, параллельной оси, и частично в состоянии поляризации, перпендикулярной оси. Состояние поляризации под углом к осп можно рассматривать как результат какого-то процесса наложения, примененного к двум состояниям параллельной и перпендикулярной поляризации. Это приводит к некоторому, особого рода, соотношению между различными состояниями поляризации, похожему на соотношение между поляризованными пучками в классической волновой оптике, которое, однако, применяется теперь не к пучкам, а к двум состояниям поляризации отдельного ([«юна. Это соотношение позволяет разложить каждое состояние поляризации на два взаимно перпендикулярных состояния поляризации, т. е. представить любое состояние как суперпозицию двух других.

Пропуская фотон через кристалл турмалина, мы подвергаем его наблюдению и устанавливаем, поляризован ли он параллельно пли перпендикулярно оптической осн.

В результате этого наблюдения мы переводим фотон либо полностью в состояние параллельной поляризации, либо полностью в состояние перпендикулярной поляризации. Он должен сделать внезапный скачок от частичного пребывания в обоих этих состояниях к пребыванию целиком либо в одном, либо в другом из состояний; в которое из двух состояний произойдет скачок, невозможно предсказать однозначно: здесь действуют только вероятностные законы. Если произойдет скачок в параллельное состояние, фотон будет поглощен, если же скачок произойдет в перпендикулярное состояние, фотон пройдет сквозь кристалл и появится на обратной стороне, сохраняя это состояние поляризации.