¿Cuál es la evidencia experimental para un campo EM cuantificado?

Question

Recientemente he estado tratando de entender en un nivel más profundo de lo que es el significado físico o de la existencia de los fotones, y relatedly, ¿qué es la verificación experimental de su existencia. Todos aprendemos de que, históricamente, Einstein empleó para explicar el efecto fotoeléctrico, después de Planck descubrió la cuantización de la energía permite la correcta derivación de la radiación de cuerpo negro. Más tarde, los experimentos de dispersión de Compton también fueron explicadas satisfactoriamente con los fotones de la imagen y, por ello, se estableció que las ondas electromagnéticas de alguna manera se propagan en quanta. Unos años más tarde Dirac correctamente cuantificada la EM campo, y el resultado de la teoría explicada la naturaleza cuántica de los campos EM y propagación de la luz, explicando el fotón como el mínimo de excitación de los campos EM, y QED comenzó. (Me corrija si esto es falso; soy una licenciatura y aún no tenemos un conocimiento formal en QFT.)

El resultado de la teoría también predice verificado fenómenos tales como el Cordero de cambio y de la anómala momento magnético del electrón. Sin embargo, parece que en los años transcurridos desde entonces, muchos de los fenómenos cuya existencia supuestamente demuestra QED se derivan de semiclásica modelos. De acuerdo a Scully & Zubairy en "Óptica Cuántica",

"Hay muchos procesos asociados con la radiación-materia de la interacción que puede ser explicado por una teoría semiclásica en el que el campo se trata de la clásica y la materia es tratada cuántico-mecánico. Ejemplos de fenómenos físicos que puede ser explicado totalmente o en gran parte por la teoría semiclásica incluir el efecto fotoeléctrico, la emisión estimulada, de resonancia de fluorescencia.

Tal vez el ejemplo más importante de una situación que no está cubierto por la teoría semiclásica es la emisión espontánea de la luz. Por otra parte, el Cordero de turno es un buen ejemplo de una situación física que sólo se entiende con la introducción de la aspiradora en el problema... Cuando fluctuaciones del vacío se incluyen, vemos que el Cordero cambio es cualitativamente en cuenta y que conceptualmente se entiende. Otros fenómenos, tales como la distribución de Planck de la radiación de cuerpo negro y la anchura de línea del láser, que puede ser entendido por tales smiclassical además de fluctuaciones del vacío de argumentos."

De hecho, como se menciona, una búsqueda en google muestra resultados de la photoelctric efecto, el efecto compton, la radiación de cuerpo negro, la emisión espontánea, el Cordero de turno, y la anómala momento magnético del electrón - todos los clásicos de verificaciones experimentales para la cuantificación de los campos EM y QED (como lo que yo sé), de semiclásica modelos con fluctuaciones del vacío.

Scully & Zubairy va a describir un fenómeno en el que las predicciones de QED y la teoría semiclásica difieren significativamente: quantum late en $\Lambda$-tipo de sistemas. En QED tales sistemas no muestran cuántica beats, mientras que semiclásica de la teoría predice la existencia de los beats en estos sistemas. Sin embargo, Scully & Zubairy no mencionar ni una sola verificación experimental que, de hecho, no hay latidos en $\Lambda$ sistemas, y yo no era capaz de encontrar ninguna en google.

Y así, tengo que preguntar, ¿qué es, después de todo, la verificación experimental que, efectivamente, el EM campo también está cuantizada (y para la existencia de los fotones). Hubo experimentos tratando de detectar la mencionada cuántica beats? Hay otro efecto o fenómeno cuyas predicciones difieren entre QED y semiclásica de la teoría (con fluctuaciones del vacío) y fue demostrado experimentalmente para seguir QED comportamiento, y por lo tanto la EM campo es, sin duda cuantificada (he encontrado el de Hong–Ou–Mandel efecto que podría encajar aquí, pero no tengo el conocimiento suficiente para entender si es que realmente muestra la cuantización del campo)? ¿Cuáles son las verificaciones experimentales de la existencia de los fotones, que no puede ser explicado con la teoría semiclásica (en el que no hay fotones)? Hay, tal vez, teórica o de pensamiento experimental argumentos para esta cuantización, si no hay definida la evidencia experimental? Aunque QED es una bien establecida y bien probado teoría, siento que esta es una pregunta importante, porque si ni siquiera tenemos una clara evidencia de que los campos EM es sin duda cuantizada, entonces, ¿quién es para decir que la gravedad tiene que ser cuantificada...

Answer 1

A mi juicio, el núcleo experimental de referencia que realmente requiere un campo electromagnético cuantizado a ser explicado es, como se mencionó tangencialmente en la pregunta, el Hong-Ou-Mandel efecto.

El wavelike la naturaleza de los fotones, como se muestra en el Hong-Ou-Mandel efecto, es bastante sutil suelo, pero permítanme comenzar con una declaración que suena muy controvertida, pero realmente no lo es:

Los efectos de interferencia, tales como la interferencia de doble rendija son no representante de la cuántica-naturaleza de onda de los fotones.

Esto es algo que se amplifica cuando se ve desde un quantum optics perspectiva, pero es importante mantener en mente que los fotones no son "partículas", mucho: lo que realmente son, es discreta excitaciones de los clásicos modos del campo electromagnético. (Usted puede ir de círculo completo y argumentan que todas las partículas, los electrones de los átomos en un BEC, también son excitaciones en un asunto de campo, pero eso es un argumento separado.)

Como tal, sólo empezar a ser capaz de hablar acerca de los fotones de una manera cuántica mecánica significativa cuando hable acerca de las estadísticas de conteo de un estado determinado de la luz. Esas estadísticas de conteo son, en un sentido, "montar a caballo" en la parte superior de los clásicos modos que ellos habitan, y la interferencia de las características que los modos de exposición (como, por ejemplo del experimento de doble rendija flecos o anillos de difracción) no son realmente "el fotón interferir en sí mismo", son sólo una de características geométricas de la modalidad que se está emocionado.

La razón por la que descontar aquellos interferencia características como representativo de la 'verdad' de onda cuántica de los fotones es que no hay otra capa de la interesante interferencias, y es cuando se hacen esas excitaciones de sí mismos interferir el uno con el otro, en tanto constructiva como destructiva maneras. Esto es lo que la rae de Hong-Ou-Mandel experimento: se combina la probabilidad de las amplitudes de las diferentes combinaciones de posibles excitaciones para descartar algunos de ellos,

^{Fuente de la imagen}

de tal manera que la luz que emerge de la beam splitter tiene una división de 50:50 de la energía, en promedio, pero esto sólo ocurra en el conjunto de pares de fotones en cada brazo, y nunca como fotones coincidentes en ambos brazos (un resultado cuya probabilidad de la amplitud que ha desaparecido a través de la interferencia destructiva). Simplemente no hay semiclásica modelo que puede dar cuenta de esto.

Ahora, como OON ha señalado, también se puede obtener observaciones experimentales de conteo de fotones estadísticas que no son explicables por cualquier semiclásica modelo más simple de las configuraciones de la sub-poisson luz, pero para mí la Mandel dip es mucho más sorprendente, mucho más claramente reconocible, y no que mucho más reciente, históricamente hablando.

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También, me gustaría abordar algunos de los comentarios en anna v de la respuesta. Toda la luz es cuántica; lo sabemos porque lo hemos intentado varias veces para encontrar grietas en la mecánica cuántica, incluyendo su tratamiento de la luz, y no hemos encontrado ninguna. De la luz a menudo se 've' clásico, pero eso es sólo porque la mecánica cuántica, en su límite clásico, se parece a la mecánica clásica.

Sin embargo, todavía hay un montón de valor de experimentos que todavía puede ser explicado por tener un clásico del campo electromagnético (así, por ejemplo, la sustitución coherente estados con sólo clásica estados, posiblemente con algún ruido de disparo) que interactúan con cuantificada de la materia, y esto incluye cosas de absorción atómica y de los espectros de emisión para el efecto fotoeléctrico, así como la pointwise respuesta de la película en el experimento de doble rendija experimentos (cuya interferencia de funciones, de nuevo, son un clásico de la óptica característica del modo en que los fotones se va a montar).

Dado lo que sabemos de la fundamentalmente de naturaleza cuántica del campo electromagnético (a través de experimentos como el de Hong-Ou-Mandel dips), sabemos que estos semiclásica descripciones son sólo modelos efectivos que no son totalmente describen los principales aspectos de la naturaleza, pero es de esos experimentos que son indescriptibles sin cuantificada campos que realmente nos obligan a adoptar esa perspectiva. Tomar los lejos, y diciendo: "el EM campo cuantizado" se convierte en sólo una opinión, sin un apoyo experimental.

Answer 2

Más directa ejemplo que conozco de: basta con medir el número de fotones que hay en una cavidad (una "caja de luz'), mediante el envío de un átomo a través de y la medición de su cambio de fase.

Esto se ha hecho y publicado en 2007 por Gleyzes et al.: https://www.nature.com/articles/nature05589

El Hong-Ou-Mandel efecto mencionado por Max Tyler en los comentarios es otro gran ejemplo.

Answer 3

El semiclásica modelo, de hecho, funciona bien en muchos casos. Usted puede mirar en la matriz de densidad de campo cuántico, por ejemplo, en la Glauber-Sudarshan representación, \begin{equation} \rho=\int d^2\alpha\, P(\alpha)|\alpha\rangle\langle\alpha| \end{equation} donde $|\alpha\rangle$ son coherentes estados. Ahora, esta $P(\alpha)$ función a menudo pueden ser tratadas simplemente como una distribución de probabilidad sobre el espacio de fase.

Pero no siempre. Hay estados en los que $P(\alpha)$ puede llegar a ser negativa en algunas regiones del espacio de fases y también hay estados en los que $P(\alpha)$ hace más singular de $\delta$-función. Tales estados no puede ser descrita por la aproximación semiclásica y debido a que son conocidos como no clásicas de la luz.

El ejemplo de libro de texto de la no clásica de la luz es una luz que poseen un sub-Poisson fotones estadísticas decir $\langle (\Delta n)^2\rangle<\langle n\rangle$. De esto se deduce que la de segundo orden de la intensidad de la función de correlación $g^{(2)}(0)<1$ (mientras que el tratamiento semiclásica espera $g^{(2)}(0)\geq 1$). Esto lleva a que el efecto conocido como el fotón anti-arrugas que fue observado por primera vez en 1977 por Kimble, Mandel y Dagenais.

Por supuesto, esta medición directa de distintas correlaciones de las intensidades es bastante exquisita forma de "descubrir" la naturaleza cuántica de la luz. Altamente no clásica estados aparecen en interacciones de partículas todo el tiempo y no semiclásica tratamiento sería capaz de describir como QED.

Answer 4

El clásico campo electromagnético es emergente de un enorme número de fotones, y que puede ser demostrado matemáticamente.

Experimentalmente, la más simple manifestación es la aparición de la doble rendija patrón de interferencia de un fotón en un momento:

De un solo fotón de grabación de la cámara de los fotones de una doble rendija iluminada por la débil luz de láser. De izquierda a derecha: marco único, la superposición de 200, 1'000 y 500'000 marcos.

Uno ve el individuo fotones dejando una huella que se ve al azar, pero no es como las fases de la fotones wavefunctions en superposición construir el clásico de interferencia. Uno utiliza esta secuencia de estrés de la mecánica cuántica, probabilística de la naturaleza de onda de los fotones de la función de onda

Este patrón se explica por tanto QED clásica y el electromagnetismo.

Sí, las ecuaciones de Maxwell para la luz son muy útiles y no es necesario ir a la base a nivel cuántico, porque la matemática es consistente. Sólo para los espectros de absorción y emisión de la existencia de los fotones es absolutamente necesario, y la fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro, por supuesto.

Tan lejos como semi clásica reclamaciones ir, el "semi" es indicativo de la fenomenología encaja, lo cual está bien para el ajuste de los datos, pero no es un argumento en contra de la subyacente de cuantización.