Объясните, почему интерференция света наблюдается в опытах с двумя щелями и почему при увеличении интенсивности падающего потока не возникает «классической» смешивающейся картины частиц; как это соотнести с корпускулярно-волновым дуализмом
Коротко — потому что свет ивообщеквантовыечастицыи вообще квантовые частицыивообщеквантовыечастицы описываются волновыми амплитудами, а детектируется как кванты. Интерференция возникает из принципа суперпозиции амплитуд; «классической» картины отдельных несвязанных частиц не появляется потому, что при прохождении щелей сохраняется когерентность фаз между путями, и вероятность детекции в каждой точке пропорциональна квадрату суммарной амплитуды, а не сумме вероятностей от каждой щели отдельно.
Развернуто:
1) Волновая картина классическаяоптикаклассическая оптикаклассическаяоптика.
Если через две щели проходят волновые поля E1 и E2, интенсивность на экране пропорциональна I ∝ |E1 + E2|^2 = |E1|^2 + |E2|^2 + 2ReE1E2∗E1 E2*E1E2∗. Последний член — интерференционный — возникает из наложения фазированных волн. Он даёт полосы интерференции.
2) Квантовое объяснение фотоны,электроныфотоны, электроныфотоны,электроны.
Кажкий фотон описывается амплитудой вероятности ψ1 для пути через щель 1 и ψ2 для пути через щель 2. Вероятность детекции в точке P ∝ |ψ1 + ψ2|^2 = |ψ1|^2 + |ψ2|^2 + 2Reψ1ψ2∗ψ1 ψ2*ψ1ψ2∗. Хотя регистрация дискретна попадание«частицы»вточкупопадание «частицы» в точкупопадание«частицы»вточку, распределение этих попаданий за большое число событий совпадает с волновой интенсивностью: видны полосы интерференции. Если понизить интенсивность до одного фотона за раз, полосы всё равно появятся после накопления большого числа событий — каждый фотон «сам с собой интерферирует» через суперпозицию путей.
3) Почему увеличение интенсивности не «размывает» интерференцию в «классическую» картину частиц.
Увеличение числа фотонов просто увеличивает скорость регистрации, но не меняет форму функции вероятности Pxxx. Интерференция — свойство амплитуд фазовойсвязифазовой связифазовойсвязи в каждом событии, поэтому большее число фотонов лишь быстрее даёт статистически устойчивую интерференционную картину. Чтобы получить «классическую» сумму интенсивностей от каждой щели безинтерференциибез интерференциибезинтерференции, нужно потерять когерентность: если фазы для разных фотонов случайны или имеется «какое‑то измерение пути» вмешательство,дающееинформацию,черезкакующельпрошёлфотонвмешательство, дающее информацию, через какую щель прошёл фотонвмешательство,дающееинформацию,черезкакующельпрошёлфотон, то среднее значение интерференционного члена обнуляется и получается I = I1 + I2.
4) Роль когерентности и декогеренции.
Интерференция возможна только при когерентном источнике определённаяразностьфазмеждупутямиопределённая разность фаз между путямиопределённаяразностьфазмеждупутями. Если источники некогерентны или если окружающая среда/детекторы «считывают» путь даётсяинформация,черезкакующельпрошёлквантдаётся информация, через какую щель прошёл квантдаётсяинформация,черезкакующельпрошёлквант, состояние превращается из чистой суперпозиции в статистическую смесь. Для смеси P = |ψ1|^2 + |ψ2|^2, интерференционных членов нет. Это и есть механизм исчезновения интерференции в реальных условиях декогеренциядекогеренциядекогеренция.
5) Соотношение с корпускулярно-волновым дуализмом и принципом дополнения Бора.
Корпускулярность проявляется в дискретных кликах детектора фотоныфотоныфотоны. Волновость — в том, что эти клики распределяются по экрану согласно квадрату волновой амплитуды с интерференцией. Нельзя одновременно наблюдать и полную информацию о пути корпускулярностьвсмысле«какаящель»корпускулярность в смысле «какая щель»корпускулярностьвсмысле«какаящель» и интерференционные полосы волновостьволновостьволновость — это принцип дополнения: получение which‑path информации уничтожает интерференцию.
Итог: интерференция объясняется суперпозицией когерентных амплитуд; увеличение интенсивности не даёт «классического» суммирования, потому что каждый фотон подчинён тем же волновым законам вероятности. «Классическая» некогерентная картина возникает только при утрате фазовой согласованности или при наличии измерений пути декогеренция/смешанныесостояниядекогеренция / смешанные состояниядекогеренция/смешанныесостояния.
Коротко — потому что свет ивообщеквантовыечастицыи вообще квантовые частицыивообщеквантовыечастицы описываются волновыми амплитудами, а детектируется как кванты. Интерференция возникает из принципа суперпозиции амплитуд; «классической» картины отдельных несвязанных частиц не появляется потому, что при прохождении щелей сохраняется когерентность фаз между путями, и вероятность детекции в каждой точке пропорциональна квадрату суммарной амплитуды, а не сумме вероятностей от каждой щели отдельно.
Развернуто:
1) Волновая картина классическаяоптикаклассическая оптикаклассическаяоптика.
Если через две щели проходят волновые поля E1 и E2, интенсивность на экране пропорциональна
I ∝ |E1 + E2|^2 = |E1|^2 + |E2|^2 + 2ReE1E2∗E1 E2*E1E2∗.
Последний член — интерференционный — возникает из наложения фазированных волн. Он даёт полосы интерференции.
2) Квантовое объяснение фотоны,электроныфотоны, электроныфотоны,электроны.
Кажкий фотон описывается амплитудой вероятности ψ1 для пути через щель 1 и ψ2 для пути через щель 2. Вероятность детекции в точке
P ∝ |ψ1 + ψ2|^2 = |ψ1|^2 + |ψ2|^2 + 2Reψ1ψ2∗ψ1 ψ2*ψ1ψ2∗.
Хотя регистрация дискретна попадание«частицы»вточкупопадание «частицы» в точкупопадание«частицы»вточку, распределение этих попаданий за большое число событий совпадает с волновой интенсивностью: видны полосы интерференции. Если понизить интенсивность до одного фотона за раз, полосы всё равно появятся после накопления большого числа событий — каждый фотон «сам с собой интерферирует» через суперпозицию путей.
3) Почему увеличение интенсивности не «размывает» интерференцию в «классическую» картину частиц.
Увеличение числа фотонов просто увеличивает скорость регистрации, но не меняет форму функции вероятности Pxxx. Интерференция — свойство амплитуд фазовойсвязифазовой связифазовойсвязи в каждом событии, поэтому большее число фотонов лишь быстрее даёт статистически устойчивую интерференционную картину. Чтобы получить «классическую» сумму интенсивностей от каждой щели безинтерференциибез интерференциибезинтерференции, нужно потерять когерентность: если фазы для разных фотонов случайны или имеется «какое‑то измерение пути» вмешательство,дающееинформацию,черезкакующельпрошёлфотонвмешательство, дающее информацию, через какую щель прошёл фотонвмешательство,дающееинформацию,черезкакующельпрошёлфотон, то среднее значение интерференционного члена обнуляется и получается I = I1 + I2.
4) Роль когерентности и декогеренции.
Интерференция возможна только при когерентном источнике определённаяразностьфазмеждупутямиопределённая разность фаз между путямиопределённаяразностьфазмеждупутями. Если источники некогерентны или если окружающая среда/детекторы «считывают» путь даётсяинформация,черезкакующельпрошёлквантдаётся информация, через какую щель прошёл квантдаётсяинформация,черезкакующельпрошёлквант, состояние превращается из чистой суперпозиции в статистическую смесь. Для смеси P = |ψ1|^2 + |ψ2|^2, интерференционных членов нет. Это и есть механизм исчезновения интерференции в реальных условиях декогеренциядекогеренциядекогеренция.
5) Соотношение с корпускулярно-волновым дуализмом и принципом дополнения Бора.
Корпускулярность проявляется в дискретных кликах детектора фотоныфотоныфотоны. Волновость — в том, что эти клики распределяются по экрану согласно квадрату волновой амплитуды с интерференцией. Нельзя одновременно наблюдать и полную информацию о пути корпускулярностьвсмысле«какаящель»корпускулярность в смысле «какая щель»корпускулярностьвсмысле«какаящель» и интерференционные полосы волновостьволновостьволновость — это принцип дополнения: получение which‑path информации уничтожает интерференцию.
Итог: интерференция объясняется суперпозицией когерентных амплитуд; увеличение интенсивности не даёт «классического» суммирования, потому что каждый фотон подчинён тем же волновым законам вероятности. «Классическая» некогерентная картина возникает только при утрате фазовой согласованности или при наличии измерений пути декогеренция/смешанныесостояниядекогеренция / смешанные состояниядекогеренция/смешанныесостояния.