Принцип неопределенности Гейзенберга

Причины дифракции частиц
Автор
Сообщение
Валентин
#53601 2022-11-29 00:35 GMT

Рассказывая о принципе  Гейзенберга часто используют следующий опыт: луч света пропускают через вертикальную(к примеру) щель. Экран на который падает свет демонстрирует точку света и горизонтальную полоску. Погрешность координаты фотонов, пролетевших через щель, маленькая, поэтому согласно принципу неопределенности Гейзенберга увеличивается погрешность импульса и появляется такой разброс. Но какие силы заставляют фотон свернуть с прямолинейной траектории? Ведь на него могут влиять все те же силы как и без щели, но почему-то он сворачивает. Есть ли ответ на данный вопрос или квантовая механика не подразумевает логичных объяснений подобных вещей?

zam
#53604 2022-11-29 12:57 GMT
#53601 Валентин :

Рассказывая о принципе  Гейзенберга часто используют следующий опыт: луч света пропускают через вертикальную(к примеру) щель. Экран на который падает свет демонстрирует точку света и горизонтальную полоску.

Что-то я не понял. Какая точка, какая горизонтальная полоска?

Вот как выглядит результат дифракции света на одной щели:

Погрешность координаты фотонов, пролетевших через щель, маленькая, поэтому согласно принципу неопределенности Гейзенберга увеличивается погрешность импульса и появляется такой разброс.

Лучше про это почитать в школьном учебнике, а не где-то там «рассказывают». Вот ссылка:  https://scask.ru/l_book_phis10.php?id=104 . Но, следует учесть, тут объяснение на уровне развития квантовой механики в году эдак в 1925-м. С тех пор много воды утекло.

Но какие силы заставляют фотон свернуть с прямолинейной траектории?

Дело в том, что у фотона нет траектории. Или, если хотите, у него сразу бесконечно много траекторий.

Фотон движется одновременно сразу по всем физически возможным путям.

На верхнем рисунке — некоторые из бесконечного множества траекторий фотона, излучённого источником и поглощённого некоторой точкой экрана, когда щели нет.

На нижнем рисунке — то же со щелью.

Приходит фотон в точку поглощения по каждой траектории со своей фазой. Происходит интерференция фотона с самим собой. В результате в первом случае освещённость (то есть вероятность регистрации фотона в данной точке) максимальна напротив источника и плавно убывает в обе стороны. Во втором случае появляются полосы (где-то освещённость больше, чем без щели, а где-то меньше.

Про это подробнее в замечательной книжке Фейнман, КЭД: странная теория света и вещества - https://biblioteka-online.info/book/ked-strannaya-teoriya-sveta-i-veshchestva/reader/ .

Ведь на него могут влиять все те же силы как и без щели, но почему-то он сворачивает.

А на фотон вообще никакие силы не действуют (ну, кроме гравитации). Он же зарядов не имеет. Это его (да и всех микрочастиц) врождённое свойство — двигаться сразу по всем возможным путям.

Есть ли ответ на данный вопрос или квантовая механика не подразумевает логичных объяснений подобных вещей?

Есть. И, как мог, я вам про него рассказал. Конечно, гораздо полезнее читать учебники. Там строго и логично.

Валентин
#53607 2022-11-29 14:24 GMT

Большое спасибо за Ваш ответ. Вы привели изображения интерференции параллельного потока лучей. При прохождении «точечного» света через щель на экране появляется схожая картина: при достаточно узкой щели точка расширяется в направлении, перпендикулярном щели т.е. если щель вертикальная, то точка расширится горизонтально(по сути то же самое явление). Об этом я услышал здесь https://m.youtube.com/watch?v=xJWyd49abo(«принцип неопределенности Гейзенберга» AlexTranslations) и провел такой же эксперимент, убедившись в его достоверности. Если свет проходит по всем возможным траекториям, то мне непонятно как простое наличие щели может изменить картинку на экране. Что заставляет фотоны выбирать другое место назначения? У меня нет предположений на этот счет

 

zam
#53608 2022-11-29 15:23 GMT
#53607 Валентин :

Вы привели изображения интерференции параллельного потока лучей. При прохождении «точечного» света через щель на экране появляется схожая картина: при достаточно узкой щели точка расширяется в направлении, перпендикулярном щели т.е. если щель вертикальная, то точка расширится горизонтально(по сути то же самое явление). Об этом я услышал здесь https://m.youtube.com/watch?v=xJWyd49abo(«принцип неопределенности Гейзенберга» AlexTranslations) и провел такой же эксперимент, убедившись в его достоверности.

Вот ещё ролик.  https://yandex.ru/video/preview/11127549120997370140 . Даже красивше.

Если свет проходит по всем возможным траекториям, то мне непонятно как простое наличие щели может изменить картинку на экране.

Щель из множества возможных траекторий фотона выбирает только те, которые проходят сквозь щель. Поэтому вычисление интеграла по траекториям (стандартная расчётная операция в квантовой физике) даёт другое значение вероятности попадания фотона в некоторую точку экрана.

Что заставляет фотоны выбирать другое место назначения?

Фотон ничего не выбирает. Скорее, это его выбирают. Частицы экрана решают, поглотить им данный конкретный фотон, или ну его.


отредактировал(а) zam: 2022-11-29 15:43 GMT
Fedor
#53611 2022-11-29 18:00 GMT

deleted

Причина: Нарушение правил форума — «2. Запрещается давать заведомо ложную информацию».


отредактировал(а) zam: 2022-11-29 19:13 GMT
Николай Амелин
#57540 2023-08-06 18:57 GMT
#53604 zam :

Дело в том, что у фотона нет траектории. Или, если хотите, у него сразу бесконечно много траекторий.

Фотон движется одновременно сразу по всем физически возможным путям.

 

Вопрос 1. Что при этом происходит с импульсом фотона? Учитывая, что импульс – величина векторная, менялось ли направление вектора импульса фотона при движении от источника до экрана? Если да, то по какой причине? Если нет, то как он мог не иметь конкретной траектории или двигаться по криволинейным траекториям?

 

Вопрос 2. Поместим между источником света и отверстием О препятствие П. Пусть источник света излучает один фотон, который попадает на препятствие П (и поглощается). Очевидно, что в этом случае на экран этот фотон не попадет. Означает ли это, что траектории 1 и 2 были для него физически невозможны? Если да, то по какой причине? Если нет, то почему он по ним не двигался?

Вопрос 3. Оптический детектор, размещенный в точке Э (например, человеческий глаз) однозначно определяет, что фотон пришел со стороны отверстия О. Каким образом детектор может это определить, если фотон двигался по разным криволинейным траекториям, или не имел конкретной траектории?

zam
#57546 2023-08-07 14:39 GMT
#57540 Николай Амелин :

Вопрос 1. Что при этом происходит с импульсом фотона?

Импульс фотона не изменяется от момента раждения (излучения) до момента поглощения.

Учитывая, что импульс – величина векторная, менялось ли направление вектора импульса фотона при движении от источника до экрана?

Импульс в квантовой физике величина не только векторная, но ещё и неопределённая (попытка регистрации фотона приводит к получению конкретного значения импульса фотона из бесконечного множества возможных значений импульса, причём эти значения совсем не равновероятны). Состояние фотона полностью определяется его волновой функцией в импульсном представлениии. Чтобы получить конкретное значение импульса из волновой функции, нужно применить к ней оператор импульса. Это практически эквивалентно обнаружению (регистрации) фотона, что приводит к коллапсу волновой функции фотона и получению прибором конкретного значения импульса фотона.

Если да, то по какой причине?

Нет. Поэтому и причины нет.

Если нет, то как он мог не иметь конкретной траектории или двигаться по криволинейным траекториям?

Нет. По той причине, что фотон — это квантовый объект. Такае объекты конкретной траектории (а так же конкретного импульса, конкретной энергии и т. д.) иметь не могут, запрещено соотношениями Гейзенберга.

Вопрос 2. Поместим между источником света и отверстием О препятствие П. Пусть источник света излучает один фотон, который попадает на препятствие П (и поглощается). Очевидно, что в этом случае на экран этот фотон не попадет. Означает ли это, что траектории 1 и 2 были для него физически невозможны? Если да, то по какой причине? Если нет, то почему он по ним не двигался?

" Пусть источник света излучает один фотон, который попадает на препятствие П (и поглощается). Очевидно, что в этом случае на экран этот фотон не попадет.". Совершенно верно. Если фотон поглощён препятсятвием, то на экран он не попадёт. Фотон неделим. 

" Означает ли это, что траектории 1 и 2 были для него физически невозможны?". Нет, не означает. Эти траектории были возможны до поглощения фотона препятствием и стали невозможными после поглощения (произошёл коллапс волновой функции фотона).

" Если нет, то почему он по ним не двигался?". Он по ним двигался, пока не случилось событие поглощения фотона препятсятвием. Но эти траектории не привели к событию поглощения фотона препятствием, к этому событию привели другие траектории. И это событие тут же обнулило вероятность обнаружения фотона на этих траекториях (уже надоевший коллапс волновой функции).

Вопрос 3. Оптический детектор, размещенный в точке Э (например, человеческий глаз) однозначно определяет, что фотон пришел со стороны отверстия О. Каким образом детектор может это определить, если фотон двигался по разным криволинейным траекториям, или не имел конкретной траектории?

Детектор фактом (событием) регистрации фотона мгновенн погасит все траектории, которые не могли привести к этому событию (то есть обнулит вероятность обнаружения фотона на этих траекториях)), и оставит пучок траекторий, которые к этому событию привести могли.

Николай Амелин
#57549 2023-08-07 18:51 GMT
#53604 zam :

Приходит фотон в точку поглощения по каждой траектории со своей фазой. Происходит интерференция фотона с самим собой. В результате в первом случае освещённость (то есть вероятность регистрации фотона в данной точке) максимальна напротив источника и плавно убывает в обе стороны. Во втором случае появляются полосы (где-то освещённость больше, чем без щели, а где-то меньше.

Вы согласны с тем, что фотон может попасть в некоторую область экрана с некоторой вероятностью, и вероятности эти для разных областей экрана неодинаковы?

С моей точки зрения, эти различные вероятности и приводят к формированию картины из светлых и темных полос на экране. Глядя на экран, мы видим яркий отраженный свет от светлых полос (куда фотоны попадали с высокой вероятностью) и очень тусклый – от темных полос (куда они попадали с низкой вероятностью).

С вашей точки зрения, вероятность попадания фотона в область темной полосы меньше, чем в область светлой, или нет? Какова причина появления темных полос, «интерференция фотона с самим собой» каким образом на это влияет? Что дальше происходит с фотонами, которые попали в область экрана с темной полосой, почему эта полоса для наблюдателя темная?

zam
#57552 2023-08-07 23:02 GMT
#57549 Николай Амелин :

Вы согласны с тем, что фотон может попасть в некоторую область экрана с некоторой вероятностью, и вероятности эти для разных областей экрана неодинаковы?

Согласен с небольшим уточнением в словах. Фотон может провзаимодействовать с некоторой частицей экрана. И вероятность такого взамодействия разная для разных частиц экрана.

А попадает фотон во все частицы экрана. Да не всякое попадание оканчивается взамодействием.

С моей точки зрения, эти различные вероятности и приводят к формированию картины из светлых и темных полос на экране. Глядя на экран, мы видим яркий отраженный свет от светлых полос (куда фотоны попадали с высокой вероятностью) и очень тусклый – от темных полос (куда они попадали с низкой вероятностью).

Всё так. Только замените «попадали» на «вступили во взаимодействие».

С вашей точки зрения, вероятность попадания фотона в область темной полосы меньше, чем в область светлой, или нет?

У меня нет точки зрения по этому вопросу. Я не физик. Я всего лишь пересказываю то, что известно и изложено в учебниках..

У вас написано почти верно. Только замените «верояности попадания» на «вероятности взаимодействия»

Какова причина появления темных полос, «интерференция фотона с самим собой» каким образом на это влияет?

Рассмотрим две (для простоты, на самом деле их бесконечное множество) траектории фотона от точки рождения до точки возможной регистрации. Длина их разная.  На них укладывается разное число длин волн фотона.

Если в точку возможной регистрации фотон приходит синфазно, то амплитуды волновой функции фотона складываюся, вероятнось обнаружения фотона (квадрат модуля его волновой функции!) увеличивается.  Если же противофазно, то амплитуды вычитаются, вероятность уменьшается.

Это и называется интерференцией фотона с самим собой.

Что дальше происходит с фотонами, которые попали в область экрана с темной полосой, почему эта полоса для наблюдателя темная?

Отражаются, в том числе в глаз (или объектив) наблюдателя.

Потому что в области тёмных полос меньше вероятность взаимодействия фотонов с частицами экрана.

Sopov
#57569 2023-08-08 18:08 GMT
#53604 zam :
#53601 Валентин :

Рассказывая о принципе  Гейзенберга часто используют следующий опыт: луч света пропускают через вертикальную(к примеру) щель. Экран на который падает свет демонстрирует точку света и горизонтальную полоску.

Что-то я не понял. Какая точка, какая горизонтальная полоска?

Вот как выглядит результат дифракции света на одной щели:

 

 

Из чего состоят полосы диффракции?

Из отдельных точек?

 

Константин-2
#58446 2023-10-08 23:41 GMT

А может быть причина отклонения фотона от прямолинейного движения в том, что у экрана (в котором щель) есть своя магнитная и электрическая проницаемости, отличные от воздуха, и эти свойства проницаемости не прерываются резко-резко на границе щели, а продолжаются на некоторое расстояние, сравнимое с размером атома, внутрь щели? Фотоны, пролетая близко к краю щели, попадают в некий аналог призмы, поэтому и отклоняются. Призма отклоняет фотоны, на сколько я помню, именно за счет магнитной и электрической проницаемостей.