Главная Физика Свойства фотона нельзя измерить во времени и в пространстве, считают физики

Если фотоны не ощущают времени, то как они могут осциллировать?

Если фотоны не ощущают времени, то как они могут осциллировать?

Хороший вопрос, особенно если физики мгновенно займут «осторожную» позицию. А ответ, скорее всего, будет сформулирован таким образом, чтобы опереться на феномен нейтринных осцилляций.

Именно наблюдение нейтринных осцилляций позволило установить, что нейтрино должно обладать массой и, следовательно, не двигаться со скоростью света.

Однако главное заключается в том, что нейтрино осциллируют между различными обнаруживаемыми формами. Это означает, что у нейтрино есть присущая им степень свободы.

У фотона не так много обнаруживаемых степеней свободы. Одна из них - поляризация, другая - волновой вектор, третья - частота/энергия моды.

Ни одна из этих степеней свободы не изменяется со временем во время распространения фотона (извините за каламбур).

Впрочем, нужно добавить оговорку, что изменения волнового вектора и частоты моды могут происходить в искривленном и расширяющемся пространстве-времени, но это внешние эффекты, а не спонтанные внутренние изменения.

Одна из «странностей» фотонов заключается в том, что, хотя они могут быть связаны с частотой, их колебания нельзя наблюдать.

Идея осцилляции в данном контексте должна быть связана с каким-то наблюдаемым свойством, изменяющимся во времени.

Фотон. Суперпозиция

Именно в этом случае представление фотона как некоего осциллирующего волнового пакета может дать неверный сигнал.

В квантовой физике важны только те свойства, которые можно измерить. Вы можете измерить поляризацию. Вы можете измерить энергию/частоту. Вы можете измерить волновой вектор.

Однако вы не можете измерить ничего "осциллирующего". Поэтому фотон обладает свойствами, соответствующими безмассовой частице.

Иначе говоря, возникает частота без осцилляции. Это сложная концепция, потому что она - специфически квантовая концепция.

На самом деле фотон - это не столько частица, сколько квантовый объект, и его нельзя понять в чисто классических, ньютоновских терминах.

Если что-то осциллирует, оно должно обладать свойством, которое изменяется во времени. То есть это свойство должно быть измеряемым.

Вопрос: что же мы можем измерить, чтобы показать осциллирующую природу фотона?

Мы можем определить оператор электрического поля. Классически, электрическое поле осциллирует во времени. Однако, когда мы строим этот оператор, мы обнаруживаем, что состояние фотона не является собственным состоянием оператора электрического поля.

Более того, мы можем построить фазовый оператор, который должен сказать нам, в какой фазе осцилляции находится фотон.

Но, опять-таки, состояние фотона не является собственным состоянием фазового оператора. Это означает, что фаза фотона неопределенна.

Таким образом, не существует операторов, которые мы можем построить, чтобы выявить какие-либо изменяющиеся во времени свойства фотона.

Да, это странно, но такова квантовая теория. Часто приходится оставлять свою классическую интуицию за дверью.