Коротко и по существу.
Как возникает интерференционная картина при пофотонной регистрации
- Квантом света является фотон, описываемый волновой функцией (амплитудой вероятности) $\psi (x)$. Прохождение через две щели даёт суперпозицию амплитуд от каждой щели:
$$\psi (x)={\psi }_1(x)+{\psi }_2(x).$$ - Вероятность регистрации фотона в точке $x$ пропорциональна квадрату модуля амплитуды:
$$P(x)=|\psi (x){|}^2=|{\psi }_1(x){|}^2+|{\psi }_2(x){|}^2+2\Re \{{\psi }_1^{\ast }(x){\psi }_2(x)\}.$$ Последний член — интерференционный член — даёт максимум и минимум распределения.
- При пофотонной регистрации каждое событие — локальный «щелчок» детектора (дискретность), но последовательность таких случайных щелчков распределяется по вероятности $P(x)$. Наблюдаемая интерференционная картина «вырастает» по мере накопления многих таких независимых детекций.
Роль когерентности и информации о пути
- Интерференция сохраняется только если амплитуды от двух щелей когерентны и нет достоверной информации о том, через какую щель прошёл фотон. Если путь пометить взаимодействием с окружением (состояния метки $|E_1⟩,|E_2⟩$), то вероятность становится
$$P(x)=|{\psi }_1{|}^2+|{\psi }_2{|}^2+2\Re \{{\psi }_1^{\ast }{\psi }_2⟨E_1|E_2⟩\}.$$ При $⟨E_1|E_2⟩=0$ интерференция исчезает (дефакто нарушение когерентности, «which-path» информация).
- Эксперименты типа «delayed choice» и «quantum eraser» показывают, что не физический акт измерения в прошлом, а наличие/устранение информации о пути определяет наличие интерференции.
Что это демонстрирует о природе света
- Свет не является чисто классической частицей или классической волной: фотон проявляет и корпускулярные (дискретные детекции), и волновые (интерференционные распределения) свойства — квантовая суперпозиция и комплементарность.
- Интерференция единичных фотонов показывает, что «волновость» относится к амплитуде вероятности/квантовому состоянию, а «частичность» — к акту регистрации (коллапс/локализация при детекции).
Какие интерпретации квантовой механики лучше объясняют наблюдения
- Копенгагенская (операциональная) интерпретация: описывает процесс формально — система в суперпозиции до измерения, при детекции происходит скачкообразный «коллапс» в одно из результатов; хорошо согласуется с предсказаниями и практикой, но оставляет философский вопрос о природе коллапса.
- Мировая интерпретация (Many-Worlds): нет коллапса — все ветви (прохождение через разные щели) продолжают существовать, интерференция возникает из сумм амплитуд разных ветвей; даёт последовательное, бездропное математическое объяснение интерференции, но требует принятия разветвления миров.
- Пилот-волновая теория (де Бройль–Бома): фотон — реальная частица с определённой траекторией, которой управляет волновое поле (пилот-волна); это даёт интуитивное представление: волна проходит через обе щели и формирует поле направляющих, частица регистрируется локально. Объясняет индивидуальные детекции и накопленную интерференцию детально.
- Интерпретации с объективным коллапсом (GRW и др.): введение реального стохастического коллапса — нужны дополнительные параметры, чтобы объяснить переход от волновой картины к локализованным щелчкам.
Краткая оценка
- Эксперимент строгo показывает суперпозицию и комплементарность; математически и экспериментально все перечисленные интерпретации дают одинаковые предсказания для стандартных условий. Выбор «лучшей» интерпретации — философский и зависит от предпочтений: Many-Worlds — минималистична в постулатах, пилот-волна — интуитивно объясняет траектории, Копенгаген — прагматична. Декогеренция объясняет переход к классическому виду без однозначного указания на механизм коллапса.
Если нужно, могу кратко показать численный пример построения $P(x)$ для двух гауссовских щелей.