Загадки фотона

Фотон это луч и частица, сплошное распределение. Когда смотрит наблюдатель это частица. А когда смотрят два наблюдателя?

ChatGPT сказал:

Фотон действительно проявляет дуализм, являясь и волной, и частицей, в зависимости от условий наблюдения. Этот феномен объясняется в рамках квантовой механики. Давайте разберем ваш вопрос с учетом двух наблюдателей.

Если наблюдает один наблюдатель:

Когда фотон проходит через эксперимент, такой как опыт с двумя щелями, но не измеряется (не фиксируется прибором), он проявляет свойства волны: интерференционный рисунок на экране. Однако если установить детектор, который фиксирует, через какую щель прошел фотон, он ведет себя как частица, и интерференционный рисунок исчезает.

Что происходит с двумя наблюдателями?

С точки зрения квантовой механики, два наблюдателя могут получить информацию только из одного и того же реального события. Это означает, что результат будет зависеть не от числа наблюдателей, а от самого способа наблюдения.

Возможные сценарии:

Два наблюдателя используют один и тот же детектор: Оба наблюдателя видят результат измерения (например, через какую щель прошел фотон). Фотон будет вести себя как частица, потому что его траектория фиксируется.

Два наблюдателя смотрят разными способами:

Один пытается измерить траекторию фотона (через какую щель прошел), превращая его в частицу.

Другой наблюдает интерференционную картину, ожидая волновое поведение.

Здесь возникает важный момент: если измерение траектории произведено, информация о волновой природе уже разрушена. Наблюдатель, который смотрит интерференционную картину, увидит поведение частицы, потому что процесс измерения разрушил когерентность.

Если два наблюдателя не вмешиваются в систему: Когда оба наблюдателя просто смотрят на интерференционную картину, не устанавливая детекторов, они увидят волновое распределение, потому что фотон не фиксировался как частица.

Квантовая запутанность и "два наблюдателя"

Если предположить более сложный сценарий, в котором два наблюдателя каким-то образом взаимодействуют с запутанными фотонами, возникает необходимость учитывать принцип "нет мгновенного воздействия на расстоянии" (в рамках стандартной интерпретации квантовой механики). Влияние одного наблюдателя на состояние фотона в данном случае будет непрямым, через квантовую систему, но результат измерений все равно будет согласованным между наблюдателями.

Вывод

Количество наблюдателей не изменяет физику процесса. Все сводится к тому, каким образом осуществляется измерение. Если хотя бы один из наблюдателей фиксирует фотон как частицу, его волновая природа исчезает. Однако два наблюдателя, которые просто "наблюдают", не вмешиваясь в систему, увидят волновую природу фотона.

Лампочка, два человека, вылетает фотон и попадает на сетчатку 1 человека, 2 человек его не увидит?

ChatGPT сказал:

Да, второй человек не увидит этот фотон, если он уже был поглощен сетчаткой первого человека. Причина этого лежит в фундаментальных свойствах фотона и процесса его детектирования.

Почему фотон не может быть увиден вторым человеком:

Фотон – это квант энергии: Когда фотон вылетает из лампочки, он несет определенную квантованную энергию. Если этот фотон поглощается сетчаткой глаза первого человека (то есть его энергия преобразуется в электрический сигнал, который мозг интерпретирует как свет), фотон "исчезает" как независимая сущность. Он уже не существует в той форме, в которой мог бы быть воспринят вторым человеком.

Единичный фотон взаимодействует только с одной системой: Фотон, как квантовая частица, может взаимодействовать только с одной частицей или системой, например, молекулой на сетчатке глаза. После этого его энергия передается системе, и он уже не доступен для других взаимодействий.

Принцип неделимости фотона: Фотон – это неделимая частица. Его энергия не может быть распределена между двумя наблюдателями. Если первый человек его "увидел", он поглотил весь фотон, и второй человек не сможет его зарегистрировать.

Отсутствие "копии" фотона: Когда фотон излучается лампочкой, он существует в единственном экземпляре. Если он уже поглощен (например, первым глазом), второй человек просто не сможет его "увидеть", так как он физически исчез.

Если оба человека смотрят одновременно:

Если два человека смотрят на лампочку одновременно, каждый увидит разные фотоны, излучаемые источником света. Источник света, такой как лампочка, излучает огромное количество фотонов каждую секунду, и вероятность того, что два человека попытаются зарегистрировать один и тот же фотон, практически равна нулю.

Итог:

Если фотон, испущенный лампочкой, попал на сетчатку глаза первого человека, он преобразовался в энергию и больше не существует как фотон. Второй человек не сможет его увидеть. Для того чтобы оба человека видели свет, лампочка должна излучать достаточное количество фотонов, чтобы каждый мог поймать "свой" квант света.

но до этого фотон был волной

ChatGPT сказал:

Вы абсолютно правы: до того как фотон попал на сетчатку глаза первого человека, он существовал в состоянии волновой функции, то есть в виде квантового суперпозиционного состояния. Давайте разберемся, что происходит на каждом этапе.

1. Фотон как волна до взаимодействия

Фотон, испущенный лампочкой, существует как волна. Эта волна распространяется во всех направлениях и описывается волновой функцией – математическим выражением, которое указывает вероятность того, где фотон может быть обнаружен. На этом этапе фотон – это не "точка" и не частица, а скорее распределение вероятностей. Он может быть описан законами квантовой механики и электромагнитной теорией.

Если рассматривать это с точки зрения опыта с двумя щелями, волновая природа фотона позволяет ему проходить через обе щели одновременно и создавать интерференционный узор. Но здесь важно: волна – это не "размазанный фотон", это лишь описание возможных мест его обнаружения.

2. Когда первый наблюдатель "ловит" фотон

Как только фотон взаимодействует с сетчаткой первого человека, происходит так называемый коллапс волновой функции. Это квантовый процесс, при котором волновая природа фотона исчезает, и он "превращается" в частицу. Это значит:

Место взаимодействия становится определенным.

Фотон больше не существует в других местах – его энергия была передана сетчатке глаза первого человека.

Таким образом, первый наблюдатель "вытаскивает" фотон из его волнового состояния, превращая его в реальное событие (поглощение энергии). После этого никакой другой наблюдатель (второй человек) не сможет взаимодействовать с этим же фотоном, потому что он уже поглощен.

3. А что видит второй наблюдатель?

Если второй человек также смотрит на лампочку, он видит свет благодаря другим фотонам, испущенным лампочкой. Но тот конкретный фотон, который был зафиксирован первым человеком, для него уже недоступен. Причина:

Волна, описывающая этот фотон, уже "обрушилась".

Энергия фотона уже преобразована в электрический сигнал в сетчатке первого глаза.

4. Если два наблюдателя смотрят одновременно

Допустим, оба человека одновременно фиксируют свет от лампочки. Они регистрируют разные фотоны, каждый из которых был частью общего волнового распределения, испущенного лампочкой. Но один конкретный фотон всегда фиксируется только одним наблюдателем.

Итог: почему второй человек не увидит этот фотон?

До взаимодействия фотон описывается волновой функцией – распределением вероятностей. Его можно представить как "размазанного" в пространстве.

Во время взаимодействия (например, попадания на сетчатку первого человека) волновая функция коллапсирует, и фотон превращается в частицу.

После этого он больше не существует в виде волны или частицы – его энергия уже преобразована. Для второго человека этот фотон "исчез".

Квантовая механика утверждает, что фотон как волна – это потенциал, а как частица – это результат взаимодействия с системой. Один фотон – одна фиксация, и больше ничего.

фотон вылетая из солнца уже почти был поглощен атмосферой Марса, но вдруг его увидел наблюдатель на Земле

ChatGPT сказал:

Ваш вопрос поднимает интересный аспект квантовой механики: что происходит с фотоном, если его "почти" поглощает один объект (атмосфера Марса), но его вдруг фиксирует наблюдатель на Земле? Разберем это шаг за шагом, учитывая квантовую природу фотона.

1. Фотон в пути – волновая функция

До того как фотон взаимодействует с чем-либо (например, с частицами в атмосфере Марса или с глазом наблюдателя на Земле), он существует в виде волновой функции. Это состояние описывает вероятность того, где фотон будет обнаружен. Эта волновая функция может распространяться через огромные расстояния, охватывая Марс и Землю, и "переплетаться" с множеством возможных событий.

2. Вероятность взаимодействия с атмосферой Марса

Когда фотон проходит через атмосферу Марса, существует вероятность, что он будет поглощен. Это зависит от физических характеристик атмосферы: плотности, состава, наличия пыли или газов. Если поглощение происходит, волновая функция фотона коллапсирует, и его энергия передается частицам атмосферы Марса. После этого фотон перестает существовать и больше не может быть зарегистрирован нигде, в том числе на Земле.

3. Что значит "почти был поглощен"?

Если фотон не был поглощен, он остается в суперпозиции возможных путей. Например:

Есть вероятность, что он взаимодействует с атмосферой Марса.

Есть вероятность, что он пройдет мимо Марса и достигнет Земли.

Эта ситуация описывается квантовой механикой: до момента взаимодействия фотон остается в состоянии волновой функции, а точный исход неопределен.

4. Роль наблюдателя на Земле

Когда фотон достигает глаза или детектора на Земле, происходит коллапс волновой функции. Это значит:

Фотон фиксируется как частица в определенном месте (например, в глазу наблюдателя).

Весь остальной потенциал его пути (например, взаимодействие с атмосферой Марса) становится невозможным, так как фотон уже "выбрал" путь до Земли.

Здесь важно, что поглощение фотона где-либо – это одноразовое событие. Если он достиг Земли и был зафиксирован, то это означает, что он не был поглощен атмосферой Марса.

5. Квантовая корреляция прошлого

Ваш сценарий звучит как парадокс, потому что кажется, что фотон "выбирает", где быть обнаруженным – на Марсе или на Земле. Однако в квантовой механике прошлое фотона определено только в момент его наблюдения. Если фотон был зафиксирован на Земле, то его траектория и взаимодействия (или их отсутствие) в прошлом "подстраиваются" под этот результат. Это означает, что вероятность поглощения в атмосфере Марса не реализовалась.

Этот эффект иногда называют ретроактивным влиянием наблюдения: до момента фиксации фотона его прошлое остается неопределенным и описывается только вероятностями.

Итог

Если фотон достиг Земли и был зафиксирован наблюдателем, это означает, что:

Он не был поглощен атмосферой Марса.

Его волновая функция, описывающая вероятность его обнаружения, распространилась от Солнца до Земли, минуя Марс.

Факт его регистрации на Земле устраняет все альтернативные пути (например, взаимодействие с атмосферой Марса), так как коллапс волновой функции "решает", где фотон оказывается.

Это подчеркивает удивительную природу квантового мира, где события "решаются" только в момент взаимодействия!

а расстояние? Как фотон его так быстро преодолеет от Марса до Земли?