Pojedynczy foton może interferować tylko ze sobą. Jednak „siebie” jest źle zdefiniowane, ponieważ wszystkie fotony są identyczne w mechanice kwantowej. Ze względu na ich statystyki Bosego-Einsteina funkcja falowa wszystkich fotonów jest symetryczna - niezmienna dla wszystkich permutacji poszczególnych fotonów. Zatem stany, w których niektóre fotony są permutowane, faktycznie interferują ze sobą - symetria musi zostać zachowana.

Dwa niezależne atomy emitują fotony spontanicznie, a proces jest „losowy”, więc nie ma korelacji między fazami dwóch fotonów. Właśnie dlatego nie mogą sobie nawzajem przeszkadzać. Ponadto stany jednofotonowe nie mogą kolidować ze stanami dwufotonowymi (to byłoby jak dodawanie jabłek i pomarańczy - nie można zdefiniować żadnej znaczącej „sumy dwóch funkcji”, jeśli te dwie funkcje zależą od różnych zmiennych), a foton stany z różnymi (prostopadłymi) polaryzacjami również nie mogą ze sobą interferować.

Klasyczna fala elektromagnetyczna to kondensat dużej liczby fotonów - w zasadzie wszystkie są w tym samym stanie. Funkcja falowa wszystkich fotonów jest iloczynem tensorowym funkcji falowych pojedynczego fotonu - lub moc tensorowa stanu każdego fotonu jest taka sama. Zatem probabilistyczna funkcja falowa może nagle otrzymać klasyczną interpretację. $$ \ psi_n (\ vec x_1, \ dots, \ vec x_n) = \ prod_ {i = 1} ^ n \ psi_1 (\ vec x_i) $$ Każdy pojedynczy -fotonowa funkcja falowa $ \ psi_1 $ zasadniczo ewoluuje niezależnie, więc stan całkowity $ \ psi_n $ wszystkich fotonów zachowuje swoją faktoryzowaną postać. Średnie pole elektryczne i pole magnetyczne z wielu fotonów niesie te same informacje, co $ \ psi_1 $, funkcja falowa pojedynczego fotonu, i one również ewoluują w ten sam sposób.

Jednak nadal możesz powiedzmy, że interferencja fali klasycznej ze sobą jest „spowodowana interferencją każdego fotonu ze sobą”.

Twoje pytanie nie jest ilościowe - językowe, a nie matematyczne - więc trudno na nie ostro odpowiedzieć. Jednak prawidłowy opis dotyczy matematyki. Musisz zrozumieć, że funkcja falowa całego systemu jest funkcją maksymalnego zestawu zmiennych dojeżdżających do pracy. Jeśli te zmienne zawierają pozycje, interferencja może wystąpić tylko pomiędzy stanami, których wszystkie inne liczby kwantowe przyjmują identyczne wartości.

Fotonowy model światła może być najczęściej stosowanym modelem w fizyce. Lamb dość jasno wyraża moją opinię tutaj:

„Koncepcje fotonów używane przez wysoki procent społeczności laserowej nie mają uzasadnienia naukowego”.

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​wielu fizyków, którzy odpowiadają na proste pytania dotyczące materii bez niepotrzebnego odniesienia do kwarków lub gluonów, nie jest w stanie odpowiedzieć na proste pytania dotyczące światła bez niepotrzebnego odniesienia do fotonów.

To jest zagadkowe, ponieważ bardzo niewiele eksperymentów jest w stanie odróżnić istnienie fotonów od ich braku.

Jeśli naprawdę interesuje Cię fotonowy model światła, przygotuj się na bardzo dużo matematyki do przewidywania nawet dość prostych wyników eksperymentów. Będziesz oczywiście używał bardziej poprawnego modelu, ale powinieneś użyć odpowiedniego narzędzia do odpowiedniego zadania.

Jeśli jednak interesuje Cię obserwowalne eksperymentalnie zachowanie światła, to metoda Maxwella równania dadzą właściwą odpowiedź w większości przypadków. Na przykład, pytasz, czy dwa różne lasery mogą przeszkadzać. Mogą! Zobacz to pytanie: Czy można zaobserwować interferencję z 2 niezależnych laserów optycznych?

Jestem pewien, że model fotonu przewiduje ten wynik, ale podejrzewam, że nie bez dość mocnego uścisku matematyki. Jeśli nigdy nie słyszałeś o fotonach, a wszystko, co wiedziałeś, to równania Maxwella, ten wynik nie jest zbyt zaskakujący.

Zamknę odpowiedź pytaniem: dla jakiego typu eksperymentalnej prognozy jest model fotonu jest rzeczywiście istotny? Dla jakich typów prognoz model fotonu jest mylący, mylący lub wymaga większego wysiłku niż jest to warte?

Dotychczasowe przykłady:
Model fotonu ma zastosowanie do:
- Hong- Ou-Mandel
- Eksperyment Grangiera

Model fotonu nie dotyczy:
- „Konwencjonalne” prążki interferencyjne z dwóch niezależne lasery
- Efekt fotoelektryczny (pomimo wielu twierdzeń, że jest inaczej) lub zachowanie „klikania” matryc CCD i fotopowielaczy.
-Każdy eksperyment wykonany przed połową- lata osiemdziesiąte, w tym eksperyment Hanbury-Browna i Twissa
- Wszelkie komercyjne technologie

Moje ostatnie dwa twierdzenia są celowo odważne. Udowodnij, że się mylę!

Nie. Chociaż takie twierdzenie znajduje się w klasycznej pracy Diraca, nie jest prawdziwe.

Zobacz np. interferencja Hong-Ou-Mandela, kiedy zakłócają się dokładnie dwa fotony (mogą pochodzić nawet z różnych źródeł). Cytat Paula Diraca i więcej analiz można znaleźć w:

• Andrzej Dragan, Paweł Ziń, Interference of Fock states in a single measurement, arXiv: quant-ph / 0703273v1

Jednak w twierdzeniu Diraca jest trochę prawdy - foton interferuje z samym sobą tylko wtedy, gdy masz tylko jeden detektor do pomiaru.

Są przypadki, kiedy foton nie może sobie zakłócać. Weź interferometr o dwóch prawie równych ścieżkach i obserwuj zakłócenia. Gdy tylko foton ma sam ograniczoną długość, może interferować ze sobą tylko wtedy, gdy różnica ścieżki jest mniejsza niż jego własna długość. W przeciwnym razie nie może. Sztuczka polega na tym, aby mieć superpozycję fal w tym samym czasie . Jeśli ciągi fal fotonów docierają bez nakładania się , nie ma interferencji, ponieważ nie ma superpozycji . Superpozycja jest pojęciem lokalnym w czasie. Często jest to raczej dorozumiane niż wymawiane.

Stopniowa zmiana różnicy ścieżki interferometru prowadzi ostatecznie do zniszczenia wzoru interferencji z powodu skończoności pakietu fal fotonowych.

Teraz dwa odległe atomy ( lub lasery) są uważane za pojedyncze źródło, a „ich” fotony nie interferują tylko wtedy, gdy nie nakładają się w czasie (patrz powyżej). Jedno źródło oznacza, że ​​interferuje ze sobą jeden foton, a nie dwa różne fotony z różnych atomów.

Dirac w swojej książce o QM opisuje interferencję fotonu ze sobą, ale jego stwierdzenie nie było oryginalne. Przeczytałem artykuł H. Poincaré (1912), w którym stwierdza on, że jeśli przyjmiemy kwantową naturę światła, to każdy kwant (foton) interferuje ze sobą, a nie z innymi fotonami. Poincaré doszedł do tego wniosku, rozważając wiązkę o bardzo małej intensywności (strumień jednego kwanta). Ale nie jestem pewien, czy zostało to wypowiedziane po raz pierwszy, czy też napisał ówczesny „kwantowy folklor”.

Odpowiedź Lubosa Motla jest oczywiście poprawna, ale chciałbym wskazać układ fizyczny, w którym wydaje się , że fotony z różnych źródeł interferują ze sobą.

Rozważ dwa lasery z zewnętrzną wnęką, nominalnie identyczne, ale działające niezależnie. Lasery HeNe będą działać dobrze. Na pierwszym laserze zamontuj jedno z luster wnękowych na stosie piezoelektrycznym, aby można było precyzyjnie kontrolować długość wnęki. Połącz wiązki z obu laserów przez rozdzielacz wiązki na detektor, przeprowadź wyjście detektora do wzmacniacza i przekaż wyjście wzmacniacza do stosu piezoelektrycznego. Włącz system, a pierwszy laser automatycznie zsynchronizuje się z drugim laserem, jeśli dwie wiązki są dobrze wyrównane. Wiązki oddzielone od dwóch laserów będą zakłócać, a nawet mogą być używane do tworzenia hologramów, wykorzystując jedną wiązkę jako odniesienie, a drugą do oświetlania obiektów.

Każdy wzór interferencji utworzony przy użyciu dwóch wiązek składa się z pojedynczych zdarzeń fotonów, ale nie jest możliwe określenie, z którego lasera pochodzi dany foton, bez niszczenia interferencji. JEŚLI mówimy, że interferencja jest zawsze spowodowana interferencją fotonu, wówczas jesteśmy zmuszeni zaakceptować, że funkcja falowa każdego fotonu ma swoje źródło w obu laserach.

Wszystko to oznacza, że ​​foton nie jest dokładnie cząstką. Jego definicja nie jest prosta!

Foton nie zakłóca samego siebie ani żadnych innych fotonów. Pozorny wzór interferencji, który wynika z fotonów, a nawet pojedynczego fotonu, przechodzącego przez aparat z podwójną szczeliną, wynika z kwantowej struktury falowodowej, która określa prawdopodobieństwo przejścia fotonów z emitera do ściany detekcji różnymi drogami. Zobacz http://ps.missouri.edu/feynman, aby zapoznać się z animacjami amplitud prawdopodobieństwa.