W jaki sposób pojedynczy foton może odbić się od czegokolwiek?

Pytanie

Pyta ANDRZEJ ŁUKASIK

W jaki sposób pojedynczy foton może odbić się od czegokolwiek? Znając jego rozmiar oraz proporcje pustej przestrzeni międzycząsteczkowej do przestrzeni zajmowanej przez cząstki elementarne wydaje się, że odbicie fotonu od przeszkody jest statystycznie nieprawdopodobne.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Nie znamy rozmiarów fotonu jako cząstki – traktujemy go jako cząstkę punktową, tj. mającą zerowy rozmiar. W zjawisku odbicia fotonu np. od lustra nie jest jednak istotny rozmiar fotonu jako cząstki, lecz długość jego kwantowej fali Comptona. Nie możemy do tego zjawiska stosować naszej intuicji makroskopowej, i wyobrażać go sobie jak czegoś podobnego do odbicia piłki od ściany. Znacznie lepszy obraz intuicyjny daje wyobrażenie sobie tego zjawiska jako czegoś podobnego do odbicia fali morskiej od falochronu. Klasyczna fala elektromagnetyczna odbijająca się od powierzchni metalu spełnia dokładnie te same równania różniczkowe, co kwantowa funkcja falowa pojedynczego fotonu odbijającego się od lustra.

Dualizm korpuskularno falowy w mechanice kwantowej oznacza, że w pewnych zjawiskach wygodnej jest nam wyobrażać sobie cząstki elementarne jako punkty materialne, a w innych – jako fale. Oba wyobrażenia są tylko zgrubnym przybliżeniem – ścisły opis matematyczny wymaga rozważenia ewolucji kwantowego wektora stanu naszego układu fizycznego w nieskończenie wymiarowej przestrzeni Hilberta.