Интерференция фотонов

Интерференция фотона

Мы знаем, что каждый из фотонов находится где-то в области пространства, через которую проходит пучок, и обладает импульсом, который по направлению совпадает с направлением пучка, а по величине определяется частотой света согласно фотоэлектрическому закону Эйнштейна: импульс равен произведению частоты на универсальную постоянную. Теперь мы обладаем такими сведениями о положении в импульсе фотона, то мы будем говорить, что он находится в определенном состоянии  движения.

Разберем теперь, как описывает квантовая механика интерференцию фотонов. Для этого рассмотрим следующий опыт, демонстрирующий интерференцию: пусть пучок света пропущен через некоторый интерферометр, так что пучок расщепляется на две компоненты, которые затем интерферируют друге другом. Как и в предыдущем параграфе, мы можем взять падающий пучок, состоящий из одного фотона, и спросить, что произойдет, когда он пройдет через прибор. Это поставит перед нами во всей остроте вопрос о трудностях, связанных с противоречием между волновой и корпускулярной теорией света.

Соответственно тому описанию, которое мы приняли в случае поляризации фотона, мы должны .теперь, описывая поведение фотона, считать, что он войдет частично в каждую из двух компонент, на которые расщепился пучок. Мы можем тогда сказать, что фотон находится п состоянии поступательного движения, которое представляет собой суперпозицию двух состояний, соответствующих двум компонентам. Таким образом, мы приходим к обобщению понятия «состояния поступательного движения» в применении к фотону. Фотон, который находится в определенном состоянии поступательного движения, не обязательно связан с одним пучком света, а может быть связан с двумя или несколькими пучками, на которые расщепился исходный пучок).
Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы определим энергию одной из компонент. Результатом такого определения может быть либо целый фотон, либо ничего. Таким образом, фотон должен внезапно оказаться целиком и одном из пучков и перестать находиться отчасти в одном, а отчасти в другом пучке. Такое внезапное изменение вызвано тем возмущением в состоянии движения фотона, которое неизбежно вносит наблюдение. Невозможно предсказать, в каком из двух пучков будет найден фотон. Можно рассчитать лишь вероятность каждого из результатов, зная первоначальное распределение фотона между двумя пучками.

Можно произвести измерение энергии, не уничтожая при этом составного пучка: например, можно отразить пучок от движущегося зеркала и измерить отдачу. Наше описание фотона позволяет сделать вывод, что после такого измерения энергии уже невозможно вызвать явления интерференции между обеими компонентами. До тех нор, пока фотон находится частично в одном, частично и другом пучке, интерференция при наложении пучков может возникнуть, но эта возможность исчезает, как только фотон переведен посредством намерения целиком в один из пучков. В этом случае второй пучок перестает участвовать в описании фотона, и следует считать, что он целиком находится в первом пучке, с которым в свою очередь, как обычно, можно произвести любой опыт.
Все виды частиц связаны с волнами и, обратно, всякое волновое движение связано с частицами. Таким образом, все частицы могут интерферировать, и энергия всякого волнового движения имеет квантовый характер. Причина того, что эти общие явления не являются очевидными, заключена в законе о пропорциональности между массой или энергией частицы и частотой волны. Коэффициент пропорциональности в этом законе таков, что для волн обычных частот соответствующие кванты весьма малы, в то время как даже для таких легких частиц, как электроны, соответствующая частота волн столь велика, что обнаружить их интерференцию нелегко.