¿Cuál es la longitud de un solo fotón?

Question

No me refiero a la longitud de onda, me refiero a la longitud completa en la dirección de propagación. ¿Qué es la extensión total de un solo fotón en el espacio? Siquiera tiene una longitud?

Editar para aclarar: digamos que una molécula polar, como el agua. Permanente de la onda EM (en este caso nuestro fotones) hará que la molécula de oscilación (esto es como un horno de microondas funciona). Así que con un solo fotón de la formación de la onda estacionaria, ¿cuántas moléculas de agua puedo poner en una línea, de tal manera que el mismo fotón será que afectan a todos ellos al mismo tiempo? No estoy seguro de si eso tiene algún sentido, pero eso es lo que estoy pensando cuando me refiero a la longitud.

Answer 1

Como knzhou dice en un comentario:

Depende de los fotones. Es como preguntar cuál es el ancho de un ordinario de las partículas de la función de onda es. A veces es más grande y, a veces, es más pequeño.

Algunas fuentes, como el láser, emiten fotones con longitudes de coherencia. Por ejemplo, el láser en el reproductor de CD, probablemente emite wavetrains con longitudes de ~10 cm.

Otras fuentes emiten fotones con mucho más corto wavetrains. Por ejemplo, si nos fijamos en los patrones de interferencia de película delgada hecha por la luz de una de sodio en el tubo de descarga, los patrones no tienen más de ~100 flecos, que es debido a que el sodio átomos emiten wavetrains con longitudes de ~100 longitudes de onda. Esta está determinada por las propiedades del átomo. Por ejemplo, si la vida media de la transición es de ~100 períodos de la onda de luz, entonces el wavetrain tendrá una longitud de $\lesssim100$ longitudes de onda.

Answer 2

Quiero extender knzhou del comentario. En la teoría cuántica del campo electromagnético (EM) el número de "fotones" es el número de excitaciones de los campos EM con un determinado wavevector $\mathbf k$ y con una determinada polarización $\lambda$. En la clásica teoría EM, una onda concreta, $\mathbf k$ e $\lambda$ es una onda plana, que tiene alcance infinito, para empezar (y por lo tanto habría de influir en todas las moléculas de agua). Por supuesto, podemos construir un localizada de onda, pero para ello vamos a añadir muchas ondas planas y, por tanto, $\mathbf k$ va a asumir una serie de valores. Para una onda estacionaria no se ha definido un $\mathbf k$ , ya que es una suma de dos ondas planas que viajan en diferentes direcciones! Ya vemos que la noción de "medida" de una ola con valores definidos de $\mathbf k, \lambda$ está mal definida.

Cosas que llevar a cabo de manera similar en la teoría cuántica de los campos EM, pero algunas sutilezas patada en. La primera cosa que cambia es cómo se describe el campo: el uso de una ocupación número de ket $|n_{\mathbf k, \lambda}\rangle$ que nos dice cuántos fotones (ondulatoria) hay un determinado $\mathbf k$ e $\lambda$ y los campos se convierten en el campo de los operadores que actúan sobre el ket. Usted puede preguntar: "si los campos son los operadores ahora, ¿cómo se relacionan con la clásica de campos (que son números)?". Bueno, tomamos la expectativa de valor de $$ \langle n_{\mathbf k, \lambda}| \mathbf E |n_{\mathbf k, \lambda}\rangle $$ que, si lleva a cabo los cálculos, será de cero para un estado con un número definido de fotones (sino $\langle \mathbf E^2 \rangle$ será infinito!). Va a ser que no-cero si nuestro campo de estado es una superposición de diferentes ocupación de los números, por ejemplo: $$ |\psi\rangle = c_0|0_{\mathbf k, \lambda}\rangle + c_1|1_{\mathbf k, \lambda}\rangle. $$ De hecho, el estado que se asemeja a un clásico de onda coherente que se llama un estado coherente, que es una superposición de infinito número de fotones de los estados. Así que incluso nuestra noción de campo eléctrico depende de tener una incertidumbre en el número de fotones.

Así, en el ejemplo que la molécula de agua sería de un solo fotón influencia? La respuesta de todos ellos, pero sólo uno se entusiasma por el fotón! Todas las moléculas que se siente la EM campo de un único fotón, pero por la conservación de la energía, sólo uno puede absorber los fotones y excitar. Es interesante notar que , incluso en ausencia de fotones en el campo de influencia de las moléculas y de excitar a ellos, lo que ellos emiten más fotones.

En conclusión, tanto clásica como cuántica tratamientos de la EM campo no tienen bien definida la "longitud" de una ola/fotón concreta, $\mathbf k, \lambda$, y si usted realmente desea un "razonable" de duración vas a tener que dar la certeza de $\mathbf k$, y por lo tanto tienen más de un fotón.

Answer 3

La respuesta por @BenCrowell es la más cercana a la correcta. El OP claramente pide la longitud de un fotón en la dirección de propagación. Como @safesphere comentado, un solo fotón de detección no tiene extensión espacial (al menos en circunstancias normales). Sin embargo, el fotón de onda de la naturaleza es relativamente fácil demostrar que, como en un solo fotón de interferencia.

Una experiencia análoga se puede configurar para demostrar la extensión espacial de un fotón, tanto en la dirección de propagación y en las direcciones en ángulos rectos a la dirección de propagación: de un solo fotón de interferencia en una Michaelson interferómetro, por ejemplo. La diferencia de espesor de capa en que franja de contraste gotas (y se queda en cero es igual a la longitud de coherencia de los fotones.

Realmente una demostración gráfica 3D de la medida de un fotón se puede hacer mediante la creación de un "clásico" de un solo fotón de la holografía 3D del sistema, para hacer un holograma de una gran escena en 3D de conocida la geometría, de modo que la diferencia de longitud de ruta para el objeto y el haz de referencia es conocida en un punto dado en la grabación de la película, para cada punto de la escena. Mirando la escena a través de los desarrollados holograma en función de la cantidad de puntos en un mapa de la extensión espacial de la (idénticos) fotones que registró el holograma.

Answer 4

De acuerdo a nuestra teoría actualmente aceptada, el Modelo Estándar, los fotones son las partículas elementales.

Esto significa que no tienen una extensión espacial o una estructura interna. Llamamos punto de partículas.

Es por eso que no podemos hablar sobre el tamaño de un único fotón.

Necesitamos una Teoría Del Todo, donde las partículas elementales están compuestas de cadenas de hablar de tal tamaño.

Pero actualmente, en la teoría aceptada, los fotones son partículas puntuales.

Aunque, a veces, hablamos sobre el hecho de que los fotones no tienen onda características, y que tienen ciertas longitudes de onda donde se pueda hablar de el tamaño mínimo como Compton. O podemos hablar de la longitud de Planck, como un tamaño mínimo que es importante en la gestión de calidad.

Pero en realidad, el fotón es un punto de partículas.

por favor ver aquí:

¿Por qué no De De Broglie la ecuación de onda de trabajo para los fotones?

Answer 5

Si estás hablando de la extensión espacial de un fotón es cero. Los fotones son partículas elementales que no tienen tamaño, en un átomo se crea el tamaño de una relación entre la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética. Pero las partículas elementales es decir. Los fotones, los quarks no tienen tamaño.