Εγχειρίδιο ενός περίεργου παρατηρητή κβαντικής μηχανικής, pt. 2: Δοχείο τήξης σωματιδίων

Μία από τις πιο ήσυχες επαναστάσεις Από τον τρέχοντα αιώνα μας, η κβαντική μηχανική εισήλθε στην καθημερινή μας τεχνολογία. Τα κβαντικά φαινόμενα περιορίζονταν στα εργαστήρια φυσικής και μικροσκοπικά πειράματα. Όμως, η σύγχρονη τεχνολογία βασίζεται όλο και περισσότερο στην κβαντική μηχανική για τις θεμελιώδεις διαδικασίες της και τα κβαντικά αποτελέσματα θα αυξηθούν σημαντικά μόνο τις επόμενες δεκαετίες. Ως εκ τούτου, ο φυσικός Μιγκέλ Φ. Μοράλες ανέλαβε το επίπονο καθήκον να εξηγήσει την κβαντική μηχανική στους υπόλοιπους από εμάς απλούς ανθρώπους σε αυτήν τη σειρά επτά μερών (Χωρίς μαθηματικάΥποσχόμαστε). Παρακάτω είναι η δεύτερη ιστορία της σειράς, αλλά μπορείτε πάντα να τη βρείτε Η ιστορία ξεκινά εδώ.

Καλώς ήλθατε πίσω στη δεύτερη ξενάγηση μας στο Quantum Mechanical Jungle! Το είδαμε την περασμένη εβδομάδα Πώς τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα και χτυπούν σαν σωματίδια Και πώς ένα μεμονωμένο σωματίδιο παίρνει πολλαπλές διαδρομές. Αν και εκπληκτικό, αυτή είναι μια καλά εξερευνημένη περιοχή κβαντικής μηχανικής – βρίσκεται στο φυσικό λιθόστρωτο μονοπάτι γύρω από το κέντρο επισκεπτών.

Αυτή την εβδομάδα, θα ήθελα να βγάλω το πλακόστρωτο μονοπάτι και να βουτήξω λίγο πιο βαθιά στο δάσος για να μιλήσω για το πώς τα σωματίδια συντήκονται και ενώνονται σε κίνηση. Αυτό είναι ένα θέμα που προορίζεται συνήθως για τους σπουδαστές της Φυσικής. Σπάνια συζητείται σε δημοφιλή άρθρα. Αλλά η απόδοση είναι να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το μικρο-lidar και να γνωρίσουμε μια από τις υπέροχες εφευρέσεις του εργαστηρίου, την οπτική χτένα. Ας πάμε λοιπόν να πάρουμε τις μπότες πεζοπορίας (μανίκι) λίγο βρώμικες – θα αξίζει τον κόπο.

Τζέισμαν

Ας ξεκινήσουμε με μια ερώτηση: Εάν τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα, τι συμβαίνει όταν οι διαδρομές δύο σωματιδίων αλληλεπικαλύπτονται; Ή πείτε με άλλο τρόπο, τα κύματα σωματιδίων αλληλεπιδρούν μόνο με τον εαυτό τους ή αναμιγνύονται μαζί;

Μεγέθυνση / Στα αριστερά βρίσκεται το ιντερφερόμετρο από την προηγούμενη εβδομάδα, στο οποίο ένα σωματίδιο χωρίζεται από τον πρώτο καθρέφτη και παίρνει δύο εντελώς διαφορετικές διαδρομές. Στα δεξιά βρίσκεται η νέα μας εγκατάσταση όπου ξεκινάμε με μόρια από δύο διαφορετικά λέιζερ και τα συνδυάζουμε.

Φωτογραφία του Μιγκέλ Μοράλες

Μπορούμε να το δοκιμάσουμε στο εργαστήριο τροποποιώντας τη ρύθμιση που χρησιμοποιήσαμε την προηγούμενη εβδομάδα. Αντί να διαιρούμε το φως από ένα μόνο λέιζερ σε δύο διαδρομές, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο ξεχωριστά λέιζερ για να δημιουργήσουμε το φως που έρχεται στον τελικό μισό ασημί καθρέφτη.

READ  Η NASA μοιράζεται μαγευτικές εικόνες του νεφελώματος. Οι χρήστες του δικτύου το αποκαλούν "το χέρι του Θεού".

Πρέπει να είμαστε προσεκτικοί με τα λέιζερ που χρησιμοποιούμε και η ποιότητα του δείκτη λέιζερ δεν εξαρτάται πλέον από το έργο. Εάν μετρήσετε προσεκτικά το φως από ένα κανονικό λέιζερ, το χρώμα του φωτός και η φάση του κύματος (όταν συμβαίνουν οι κορυφές των κυμάτων) περιπλανιούνται. Αυτό το έγχρωμο φούγκα είναι θολό στα μάτια μας – το λέιζερ εξακολουθεί να φαίνεται κόκκινο – αλλά αποδεικνύεται ότι η ακριβής απόχρωση του κόκκινου ποικίλλει. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που μπορούν να λύσουν τα χρήματα και η νέα τεχνολογία – εάν ξοδεύουμε αρκετά χρήματα, μπορούμε να αγοράσουμε ένα λέιζερ κλειστής θέσης ακριβείας. Χάρη σε αυτά, μπορούμε να έχουμε δύο λέιζερ που εκπέμπουν φωτόνια του ίδιου χρώματος με ισορροπημένες κορυφές κύματος.

Όταν συνδυάζουμε το φως από δύο λέιζερ υψηλής ποιότητας, βλέπουμε ακριβώς το ίδιο μοτίβο ρίγας που είδαμε πριν. Τα κύματα σωματιδίων που παράγονται από δύο διαφορετικά λέιζερ αλληλεπιδρούν!

Τι συμβαίνει λοιπόν αν πάμε ξανά στο όριο ενός φωτονίου; Μπορούμε να μειώσουμε την ένταση των δύο λέιζερ προς τα κάτω, έτσι ώστε να βλέπουμε τα φωτόνια να εμφανίζονται το ένα μετά το άλλο στην οθόνη, όπως μικρά paintballs. Εάν ο ρυθμός είναι αρκετά χαμηλός, μόνο ένα φωτόνιο θα υπάρχει μεταξύ του λέιζερ και της οθόνης κάθε φορά. Όταν εκτελέσουμε αυτό το πείραμα, θα δούμε τα φωτόνια να φτάνουν στην οθόνη ένα προς ένα. Αλλά όταν κοιτάξουμε την προεξοχή του πίνακα αποτελεσμάτων, θα δούμε τις ίδιες γραμμές που είδαμε την περασμένη εβδομάδα. Για άλλη μια φορά, βλέπουμε μια μόνο παρέμβαση του σωματιδίου.

READ  Ρώσοι κινηματογραφιστές προσγειώνονται μετά από γυρίσματα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό

Αποδεικνύεται ότι όλα τα πειράματα που είχαμε πριν δώσουμε ακριβώς την ίδια απάντηση. Η φύση δεν με νοιάζει αν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με τον εαυτό του ή αν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους – ένα κύμα είναι ένα κύμα και τα κύματα σωματιδίων δρουν όπως και κάθε άλλο κύμα.

Αλλά τώρα που έχουμε δύο τύπους λέιζερ ακριβείας, έχουμε πολλά νέα πειράματα που μπορούμε να δοκιμάσουμε.

Δύο χρώματα

Αρχικά, ας προσπαθήσουμε να παρέμβουμε σε φωτόνια διαφορετικών χρωμάτων. Ας πάρουμε το χρώμα ενός από τα λέιζερ και να το κάνουμε λίγο πιο μπλε (μικρότερο μήκος κύματος). Όταν κοιτάζουμε την οθόνη, βλέπουμε και πάλι γραμμές, αλλά τώρα οι γραμμές αργά πηγαίνουν προς τα πλάγια. Η εμφάνιση και η κίνηση των γραμμών είναι ενδιαφέρουσες.

Πρώτον, το γεγονός ότι βλέπουμε γραμμές δείχνει ότι σωματίδια διαφορετικής ενέργειας εξακολουθούν να αλληλεπιδρούν.

Η δεύτερη παρατήρηση είναι ότι το προγραμματισμένο σχέδιο εξαρτάται τώρα από το χρόνο. Οι ρίγες περπατούν στο πλάι. Δεδομένου ότι κάνουμε τη διαφορά χρώματος μεταξύ των λέιζερ μεγαλύτερη, η ταχύτητα των γραμμών αυξάνεται. Οι μουσικοί στο ακροατήριο θα αναγνωρίσουν ήδη το μοτίβο κτυπήματος που βλέπουμε, αλλά πριν φτάσουμε στην εξήγηση ας τελειοποιήσουμε την πειραματική μας εγκατάσταση.

Εάν είμαστε ικανοποιημένοι με τη χρήση στενών λέιζερ, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα πρίσμα για να ενσωματώσουμε τις φωτεινές ροές. Συνήθως ένα πρίσμα χρησιμοποιείται για να χωρίσει μια μόνο δέσμη φωτός και να στείλει κάθε χρώμα σε διαφορετική κατεύθυνση, αλλά μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε προς τα πίσω και με λεπτή ευθυγράμμιση, να χρησιμοποιήσουμε ένα πρίσμα για να συνδυάσουμε το φως από δύο λέιζερ σε μία ακτίνα.

Δύο τύποι φωτός λέιζερ με διαφορετικό χρώμα με πρίσμα.  Μετά την ανάρτηση
Μεγέθυνση / Δύο τύποι φωτός λέιζερ με διαφορετικό χρώμα με πρίσμα. Μετά το πρίσμα το φως “χτυπά” σκληρά.

Φωτογραφία του Μιγκέλ Μοράλες

Αν κοιτάξουμε την ένταση της ενσωματωμένης δέσμης λέιζερ, θα δούμε την ένταση του φωτός “παλλόμενη”. Ενώ το φως που εκπέμπεται από κάθε λέιζερ ήταν σταθερό, όταν οι ακτίνες τους με ελαφρώς διαφορετικά χρώματα συγχωνεύτηκαν, η ακτίνα που προέκυψε ταλαντώθηκε από φωτεινή σε λιποθυμία. Οι μουσικοί θα το μάθουν συντονίζοντας τα όργανα τους. Όταν ο ήχος ενός πιρουνιού συντονισμού συνδυάζεται με τον ήχο μιας ελαφρώς αναντιστοιχίας χορδής, μπορεί κανείς να ακούσει “παλμούς” καθώς ο ήχος κυμαίνεται μεταξύ δυνατά και μαλακά. Η ταχύτητα παλμού είναι η διαφορά στις συχνότητες και η χορδή ρυθμίζεται ρυθμίζοντας την ταχύτητα παλμού στο μηδέν (διαφορά μηδενικής συχνότητας). Εδώ βλέπουμε το ίδιο με τη συχνότητα φωτός – παλμού είναι η διαφορά χρώματος μεταξύ των λέιζερ.

READ  Απολιθώματα: Το μεγαλύτερο πουλί χωρίς πτήση που έζησε στην Αυστραλία πριν από 50.000 χρόνια και ζύγιζε έως 1.323 κιλά

Ενώ αυτό έχει νόημα όταν σκεφτόμαστε τις χορδές μιας μηχανής, είναι εκπληκτικό όταν σκεφτόμαστε τα φωτόνια. Ξεκινήσαμε με δύο συνεχείς ροές φωτός, αλλά τώρα το φως συσσωρεύεται σε στιγμές που είναι φωτεινές και στιγμές που είναι σκοτεινές. Δεδομένου ότι η διαφορά μεταξύ των χρωμάτων των λέιζερ γίνεται μεγαλύτερη (απενεργοποιημένη), τόσο πιο γρήγορα γίνεται ο παλμός.

Paintballs στην ώρα τους

Τι συμβαίνει λοιπόν εάν χαμηλώσουμε ξανά το λέιζερ πολύ χαμηλά; Για άλλη μια φορά βλέπουμε τα φωτόνια να χτυπούν τον ανιχνευτή μας ένα προς ένα σαν μικρά paintballs. Αλλά αν κοιτάξουμε προσεκτικά το χρονοδιάγραμμα της άφιξης των φωτονίων, διαπιστώνουμε ότι δεν είναι τυχαία – φτάνουν εγκαίρως με τους παλμούς. Δεν έχει σημασία πόσο χαμηλώνουμε το λέιζερ – τα φωτόνια μπορεί να είναι τόσο σπάνια που εμφανίζονται μόνο μία φορά κάθε 100 παλμούς – αλλά θα φτάνουν πάντα εγκαίρως με τους κτύπους.

Αυτό το μοτίβο είναι πιο ενδιαφέρον αν συγκρίνουμε την ώρα άφιξης των φωτονίων σε αυτό το πείραμα με τις γραμμές που είδαμε με το δείκτη λέιζερ την περασμένη εβδομάδα. Ένας τρόπος για να καταλάβετε τι συμβαίνει στο πείραμα με δύο σχισμές είναι να απεικονίσετε τη φύση της κβαντικής μηχανικής που μοιάζει με κύμα που οδηγεί όπου τα φωτόνια μπορούν να προσγειώνονται δίπλα-δίπλα: Τα Paintballs μπορούν να χτυπήσουν σε φωτεινές περιοχές παρά σε σκοτεινές περιοχές. Βλέπουμε ένα παρόμοιο μοτίβο κατά την άφιξη των paintballs στο δίχρωμο πακέτο, αλλά τώρα τα paintball κατευθύνονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω την κατάλληλη στιγμή και μπορούν να χτυπήσουν έγκαιρα μόνο με ρυθμούς. Οι ρυθμοί μπορούν να θεωρηθούν ως ραβδώσεις στο χρόνο.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *