8a. Квантовая механика I - Ричард Фейнман

Итак, существуют два базисных состояния |x> и |y>, и их вполне хватает, чтобы описать всякий фотон.

К примеру, если у нас есть поляроид, ось которого распо­ложена так, чтобы пропускать свет, поляризованный в направ­лении, которое мы называем направлением х, и если мы напра­вили туда фотон, который, как нам известно, находится в состоя­нии |у>, то он поглотится поляроидом. Если послать туда фотон, который, как нам известно, находится в состоянии |х>, он и выйдет в состоянии |x>. Когда мы берем кусок кальцита (исландского пшата), который расщепляет пучок поляризован­ного света на |x>-пучок и |y>-пучок, то этот кусок кальцита полностью аналогичен прибору Штерна — Герлаха, расщеп­ляющему пучок атомов серебра на два состояния |+> и |->. Значит, все, что мы раньше делали с частицами и приборами Штерна — Герлаха, можно повторить со светом и кусками поляроида. А что можно сказать о свете, который отфильтрован куском поляроида, повернутым на угол 6? Другое ли это состоя­ние? Да, действительно, это другое состояние. Обозначим ось поляроида х' , чтобы отличать ее от осей наших базисных состояний (фиг. 9.2).

Фиг. 9.2. Оси координат, перпендику­лярные к вектору импульса фотона.

Выходящий наружу фотон будет в состоя­нии |х'>. Но всякое состояние может быть представлено в виде линейной комбинации базисных состояний, а формула для такой комбинации известна:

Иначе говоря, если фотон пройдет сквозь кусок поляроида, повернутого на угол q (по отношению к х), он все равно может быть разрешен на |x>- и |y>-пучки (например, куском каль­цита). Или, если угодно, вы можете в своем воображении просто разбить его на х- и y-компоненты. Любым путем вы получите амплитуду cosq быть в |х>-состоянии и амплитуду sinq быть в |y>-состоянии.

Теперь поставим такой вопрос: пусть фотон поляризован в направлении х' куском поляроида, повернутого на угол q,

и пусть он попадет в другой поляроид, повернутый на угол нуль (фиг. 9.3).

Фиг. 9.3. Две поляроидные пластины с углом q между плоскостями поляризации.

Что тогда произойдет? С какой вероятностью он прой­дет сквозь поляроид? Ответ: Пройдя первый поляроид, фотон наверняка оказывается в состоянии |х'>. Через второй поля­роид он протиснется лишь в том случае, если будет в состоянии |x> (и поглотится им, оказавшись в состоянии |у>). Значит, мы спрашиваем, с какой вероятностью фотон окажется в состоя­нии |x>? Эту вероятность мы получим из квадрата модуля амплитуды <x|x'>, амплитуды того, что фотон в состоянии |х'>находится также и в состоянии |x>. Чему равно <x|x'>? Умножив (9.33) на <x|, получим

Но <x|y>=0; это следует из физики, так должно быть, если |х>и |у>суть базисные состояния, а <x|x>=l. И мы полу­чаем

<x|x'>=cosq,

а вероятность равна cos2q. Например, если первый поляроид поставлен под углом 30°, то 3/4 времени фотон будет проходить через него, a 1/4времени будет нагревать поляроид, поглощаясь внутри него.

Посмотрим теперь, что в такой же ситуации происходит с точки зрения классической физики. Там мы имели бы пучок света, электрическое поле которого меняется тем или иным обра­зом,— скажем «неполяризованный» пучок. После того как он прошел бы через первый поляроид, электрическое поле величи­ны x начало бы колебаться в направлении х' ; мы бы начертили его в виде колеблющегося вектора с пиковым значением x0на диаграмме фиг, 9.4.

Фиг. 9.4. Классическая картина электрического вектора x.

Если бы затем свет достиг второго поля­роида, то черен него прошла бы только x-компонента x0cosq электрического поля. Интенсивность была бы пропорциональна квадрату поля, т. е. x2cos2q. Значит, проходящая сквозь последний поляроид энергия была бы в cos2q слабее энергии, поступающей в него.

И классическая, и квантовая картины приводят к одинако­вым результатам. Если бы вы бросили на второй поляроид 10 миллиардов фотонов, а средняя вероятность прохождения каждого из них была бы, скажем, 3/4, то следовало бы ожидать, что сквозь него пройдет 3/4 от 10 миллиардов. Равным образом и энергия, которую они унесли бы, составила бы 3/4 той энер­гии, которую вам хотелось протолкнуть через поляроид. Клас­сическая теория ничего не говорит о статистике этих вещей, она попросту утверждает, что энергия, которая пройдет на­сквозь, в точности равна 3/4 той энергии, которая была пущена в поляроид. Это, конечно, немыслимо, если фотон только один. Не бывает 3/4 фотона. Либо он весь здесь, либо его вовсе нет. И квантовая механика говорит нам, что он бывает весь здесь 3/4 времени. Связь обеих теорий ясна.

А как же с другими сортами поляризации? Скажем, с пра­вой круговой поляризацией? В классической теории компо­ненты х и у правой круговой поляризации были равны, но сдвинуты по фазе на 90°. В квантовой теории фотон, поляризо­ванный по кругу вправо («правый»), обладает равными ампли­тудами быть |х>- и |у>-поляризованным, и эти амплитуды сдвинуты по фазе на 90°. Обозначая состояние «правого» фотона через |II>, а состояние «левого» фотона через |Л>, можно написать [см. гл. 33, § 1 (вып. 3)]

множитель 1/Ц2 поставлен, чтобы нормировать состояния. С помощью этих состояний можно подсчитывать любые эффекты, связанные с фильтрами или интерференцией, применяя законы квантовой теории. При желании можно также выбрать в каче­стве базисных состояний |П> и |Л> и все представлять через них. Надо только предварительно убедиться, что <П|Л>=0, а это можно сделать, взяв сопряженный вид первого уравнения [см. (6.13)] и перемножив их друг с другом. Можно расклады­вать свет, пользуясь в качестве базиса и х-, и y-поляризациями, и х'-, и y'-поляризациями, а можно—и правой, и левой поляри­зациями.

Попробуйте (просто для упражнения) обратить наши фор­мулы. Можно ли представить состояние |х> в виде линейной комбинации правого и левого? Да, вот ответ:

Доказательство: сложите и вычтите два уравнения в (9.34). От одного базиса к другому очень легко переходить.

Впрочем, одно замечание надо бы сделать. Если фотон поля­ризован по правому кругу, он не имеет никакого касательства к осям х и у. Если бы мы взглянули на него из системы коорди­нат, повернутой вокруг направления полета на какой-то угол, то свет по-прежнему был бы поляризован по кругу; то же с левой поляризацией. Право- и левополяризованный по кругу свет при любом таком повороте одинаков; определение не зависит от выбора направления х (если не считать того, что направление фотона задано). Великолепно, не так ли? Для определения не нужны никакие оси. Куда лучше, чем х и у!Но, с другой стороны, не чудо ли, что, складывая левое и правое, вы в состоянии узнать, где было направление x? Если «правое» и «левое» никак не зависят от х, как же получается, что мы можем сложить их и вновь получить x? На этот вопрос можно частью отве­тить, расписав состояние |П'>, представляющее фотон, правополяризованный в системе координат х', у'. В этой системе мы бы написали

Как же будет выглядеть такое состояние в системе х, у? Подста­вим | х'> из (9.33) и соответствующее |у'>; мы его не выписывали, но оно равно (-sinq)|x>+(cosq)|y>. Тогда

Первый множитель — это просто | П>, а второй е-iq; итог таков:

Состояния | П'> и | П> отличаются только фазовым множи­телем е-iq. Если подсчитать такую же вещь для | Л' >, мы полу­чим

Теперь мы видим, что происходит. Сложив |П> и |Л>, мы получаем нечто отличное от того, что получилось бы при сложении |П'> и |Л'>. Скажем, x-поляризованный фотон есть [см. (9.35)] сумма |П> и |Л>, но y-поляризованный фо­тон — это сумма со сдвигом фазы первого на 90° назад, а вто­рого — на 90° вперед. Это просто то же самое, что получилось бы из суммы |П> и |Л'> при определенном выборе угла 0=90°, и это правильно, В штрихованной системе x-поляризация — это то же самое, что y-поляризация в первоначальной системе. Значит, не совсем верно, что поляризованный по кругу фотон выглядит в любой системе осей одинаково. Его фаза (фазовое соотношение между право- и левополяризованными по кругу состояниями) запоминает направление х.