Οδηγός περίεργου παρατηρητή για την Κβαντομηχανική, pt. 2: Το χωνευτήριο σωματιδίων

Μία από τις πιο ήσυχες επαναστάσεις του σημερινού μας αιώνα υπήρξε η είσοδος της κβαντικής μηχανικής στην καθημερινή μας τεχνολογία. Στο παρελθόν, τα κβαντικά εφέ περιορίστηκαν σε εργαστήρια φυσικής και σε ευαίσθητα πειράματα. Όμως, η σύγχρονη τεχνολογία βασίζεται όλο και περισσότερο στην κβαντική μηχανική για τη βασική λειτουργία της και η σημασία των κβαντικών εφέ θα αυξηθεί μόνο τις επόμενες δεκαετίες. Ως εκ τούτου, ο φυσικός Μιγκέλ Φ. Μοράλες ανέλαβε το έργο του Ηρακλείου να εξηγήσει την κβαντική μηχανική στους υπόλοιπους λαϊκούς σε αυτήν τη σειρά επτά μερών (χωρίς μαθηματικά, υποσχόμαστε). Εδώ είναι η δεύτερη ιστορία της σειράς, αλλά μπορείτε ακόμα να βρείτε η αρχική ιστορία εδώ.

Καλώς ήλθατε πίσω στη δεύτερη ξενάγηση στο δάσος της κβαντικής μηχανικής! Την περασμένη εβδομάδα είδαμε πώς τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα και χτυπούν σαν σωματίδια και πώς ένα μεμονωμένο σωματίδιο παίρνει πολλαπλές διαδρομές. Ενώ εκπλήσσει, αυτή είναι μια καλά εξερευνημένη περιοχή της κβαντικής μηχανικής – μπορεί να βρεθεί στο πλακόστρωτο μονοπάτι γύρω από το κέντρο επισκεπτών.

Αυτή την εβδομάδα θα ήθελα να κατεβείτε από το πλακόστρωτο μονοπάτι και να πάω λίγο πιο βαθιά στο δάσος για να μιλήσω για το πώς τα σωματίδια αναμιγνύονται και συνδυάζονται σε κίνηση. Αυτό είναι ένα θέμα που προορίζεται γενικά για τις σπουδές της φυσικής. σπάνια συζητείται σε δημοφιλή άρθρα. Αλλά η απόδοση είναι να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το lidar ακριβείας και να βλέπουμε μία από τις μεγάλες εφευρέσεις που βγαίνουν από το εργαστήριο, την οπτική χτένα. Ας πάμε λοιπόν με τις ελαφρώς βρώμικες (κβαντικές) μπότες πεζοπορίας – θα αξίζει τον κόπο.

Δύο σωματίδια

Ας ξεκινήσουμε με μια ερώτηση: εάν τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα, τι συμβαίνει όταν επικαλύπτω τις διαδρομές δύο σωματιδίων; Ή με άλλο τρόπο, τα κύματα σωματιδίων αλληλεπιδρούν μόνο με τον εαυτό τους ή αναμιγνύονται;

Μεγέθυνση / Στα αριστερά βρίσκεται το ιντερφερόμετρο της περασμένης εβδομάδας, όπου ένα μόνο σωματίδιο χωρίζεται από τον πρώτο καθρέφτη και παίρνει δύο πολύ διαφορετικές διαδρομές. Στα δεξιά βρίσκεται η νέα μας εγκατάσταση όπου ξεκινάμε με σωματίδια από δύο διαφορετικά λέιζερ και τα συνδυάζουμε.

Εικόνα κράτησης θέσης Miguel Morales

Μπορούμε να το δοκιμάσουμε στο εργαστήριο αλλάζοντας τη ρύθμιση που χρησιμοποιήσαμε την προηγούμενη εβδομάδα. Αντί να χωρίσουμε το φως από ένα λέιζερ σε δύο διαδρομές, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο ξεχωριστά λέιζερ για να δημιουργήσουμε το φως που εισέρχεται στον τελικό ημι-ασημί καθρέφτη.

READ  Το απολίθωμα 100 εκατομμυρίων σκαθαριών ρίχνει φως στην αρχαία οικογένεια εντόμων

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) θα εμφανιστούν λάθη. Αυτή η περιπλάνηση χρώματος δεν είναι αισθητή στα μάτια μας – το λέιζερ φαίνεται πάντα κόκκινο – αλλά αποδεικνύεται ότι η ακριβής απόχρωση του κόκκινου ποικίλλει. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που μπορούν να επιλύσουν τα χρήματα και η σύγχρονη τεχνολογία – εάν διαθέτουμε αρκετά χρήματα, μπορούμε να αγοράσουμε λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας ακριβείας. Χάρη σε αυτά, μπορούμε να έχουμε δύο λέιζερ που εκπέμπουν και τα δύο φωτόνια του ίδιου χρώματος με κορυφές κυμάτων ευθυγραμμισμένες στο χρόνο.

Όταν συνδυάζουμε το φως από δύο λέιζερ υψηλής ποιότητας, βλέπουμε ακριβώς το ίδιο μοτίβο με ρίγες που έχουμε δει στο παρελθόν. Τα κύματα σωματιδίων που παράγονται από δύο διαφορετικά λέιζερ αλληλεπιδρούν!

Τι γίνεται λοιπόν αν επιστρέψουμε στο όριο ενός φωτονίου; Μπορούμε να μειώσουμε την ένταση των δύο λέιζερ τόσο χαμηλά που βλέπουμε τα φωτόνια να εμφανίζονται ένα προς ένα στην οθόνη, όπως μικρά paintballs. Εάν ο ρυθμός είναι αρκετά χαμηλός, μόνο ένα φωτόνιο θα υπάρχει μεταξύ των λέιζερ και της οθόνης κάθε φορά. Όταν κάνουμε αυτό το πείραμα, θα δούμε τα φωτόνια να φτάνουν στην οθόνη ένα προς ένα. αλλά όταν κοιτάξουμε τη συσσωρευμένη βαμβακερή βαφή, θα δούμε τις ίδιες ρίγες που είδαμε την περασμένη εβδομάδα. Για άλλη μια φορά, βλέπουμε παρεμβολές από μεμονωμένα σωματίδια.

READ  Η μηχανική μάθηση ανοίγει νέες πόρτες στην αρχαιολογία

Αποδεικνύεται ότι όλα τα πειράματα που έχουμε κάνει πριν δώσουν την ίδια ακριβώς απάντηση. Η φύση δεν νοιάζεται εάν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με τον εαυτό του ή εάν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους – ένα κύμα είναι ένα κύμα και τα κύματα σωματιδίων δρουν όπως οποιοδήποτε άλλο κύμα.

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

Δύο χρώματα

Αρχικά, ας προσπαθήσουμε να παρεμβάλλονται φωτόνια διαφορετικών χρωμάτων. Ας πάρουμε το χρώμα ενός από τα λέιζερ και ας το κάνουμε ελαφρώς πιο μπλε (μικρότερο μήκος κύματος). Όταν κοιτάζουμε την οθόνη βλέπουμε ξανά ρίγες, αλλά τώρα οι ρίγες περπατούν αργά προς τα πλάγια. Η εμφάνιση των λωρίδων και η κίνησή τους είναι ενδιαφέρουσες.

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

Η δεύτερη παρατήρηση είναι ότι το ριγέ μοτίβο εξαρτάται τώρα από το χρόνο. οι ρίγες περπατούν στο πλάι. Καθώς μεγαλώνουμε τη διαφορά χρώματος μεταξύ των λέιζερ, η ταχύτητα των γρατσουνιών αυξάνεται. Οι μουσικοί κοινού θα αναγνωρίσουν ήδη το ρυθμό που βλέπουμε, αλλά πριν φτάσουμε στην εξήγηση, ας βελτιώσουμε την πειραματική μας ρύθμιση.

Εάν απλώς χρησιμοποιούμε στενές ακτίνες λέιζερ, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα πρίσμα για να συνδυάσουμε τις φωτεινές ροές. Ένα πρίσμα χρησιμοποιείται συνήθως για να χωρίσει μια μόνο ακτίνα φωτός και να στείλει κάθε χρώμα σε διαφορετική κατεύθυνση, αλλά μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε ανάποδα και με προσεκτική ευθυγράμμιση χρησιμοποιήστε το πρίσμα για να συνδυάσετε το φως από δύο λέιζερ σε μία ακτίνα. .

Φως από δύο διαφορετικά έγχρωμα λέιζερ σε συνδυασμό με πρίσμα.  Μετά το πρίσμα, το φως
Μεγέθυνση / Φως από δύο διαφορετικά έγχρωμα λέιζερ σε συνδυασμό με πρίσμα. Μετά το πρίσμα, το φως “χτυπά” σε ένταση.

Εικόνα κράτησης θέσης Miguel Morales

Αν κοιτάξουμε την ένταση της συνδυασμένης δέσμης λέιζερ, θα δούμε την ένταση του “κτύπου” του φωτός. Ενώ το φως από κάθε λέιζερ ήταν σταθερό, όταν οι ακτίνες τους με ελαφρώς διαφορετικά χρώματα συνδυάζονται, η ακτίνα που προκύπτει κυμαίνεται από φωτεινό σε ασθενές. Οι μουσικοί θα το αναγνωρίσουν συντονίζοντας τα όργανα τους. Όταν ο ήχος ενός πιρουνιού συντονισμού συνδυάζεται με τον ήχο μιας ελαφρώς αποσυνδεδεμένης συμβολοσειράς, οι «χτύποι» ακούγονται καθώς ο ήχος κυμαίνεται μεταξύ δυνατού και μαλακού. Η ταχύτητα κτύπου είναι η διαφορά στις συχνότητες και η συμβολοσειρά ρυθμίζεται ρυθμίζοντας την ταχύτητα παλμού στο μηδέν (μηδενική διαφορά συχνότητας). Εδώ βλέπουμε το ίδιο με το φως – η συχνότητα κτυπήματος είναι η διαφορά χρώματος μεταξύ των λέιζερ.

READ  Διαιτολόγοι Susie Burrell και Leanne Ward: Δείτε ΑΚΡΙΒΩΣ πώς να επιταχύνετε τον μεταβολισμό σας

Αν και αυτό έχει νόημα όταν σκέφτεστε χορδές οργάνων, είναι αρκετά εκπληκτικό όταν σκέφτεστε φωτόνια. Ξεκινήσαμε με δύο σταθερές ροές φωτός, αλλά τώρα το φως συγκεντρώνεται μεταξύ των στιγμών που είναι φωτεινό και των στιγμών που είναι αδύναμο. Καθώς η διαφορά μεταξύ των χρωμάτων των λέιζερ αυξάνεται (δεν είναι συντονισμένα), τόσο πιο γρήγορα γίνεται ο παλμός.

Paintballs στο χρόνο

Τι γίνεται λοιπόν αν γυρίσουμε πάλι τα λέιζερ; Και πάλι, βλέπουμε τα φωτόνια να χτυπούν τον ανιχνευτή μας ένα προς ένα σαν μικρά paintballs. Αλλά αν παρακολουθούμε προσεκτικά όταν φτάνουν τα φωτόνια, βλέπουμε ότι δεν είναι τυχαίο – φτάνουν σε ρυθμό με τους ρυθμούς. Δεν έχει σημασία πόσο γρήγορα περιστρέφουμε τα λέιζερ – τα φωτόνια μπορεί να είναι τόσο σπάνια που εμφανίζονται μόνο κάθε 100 παλμούς – αλλά θα φτάνουν πάντα στο ρυθμό των παλμών.

Αυτό το μοτίβο είναι ακόμη πιο ενδιαφέρον αν συγκρίνουμε την ώρα άφιξης των φωτονίων σε αυτό το πείραμα με τις γρατσουνιές που είδαμε με το δείκτη λέιζερ την περασμένη εβδομάδα. Ένας τρόπος για να καταλάβετε τι συμβαίνει στο πείραμα δύο σχισμών είναι να φανταστείτε τη κυματική φύση της κβαντικής μηχανικής που δείχνει πού τα φωτόνια μπορούν να προσγειωθούν δίπλα-δίπλα: τα paintballs μπορούν να χτυπήσουν σε φωτεινές περιοχές, όχι σε φωτεινές περιοχές. σκοτεινές περιοχές. Βλέπουμε ένα παρόμοιο μοτίβο κατά την άφιξη του paintball στη δίχρωμη δέσμη, αλλά τώρα τα paintball κατευθύνονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο και μπορούν να χτυπήσουν εγκαίρως μόνο με τους ρυθμούς. Οι ρυθμοί μπορούν να θεωρηθούν ως ρίγες στο χρόνο.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.