A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 3: vetri colorati rosa

A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt.  3: vetri colorati rosa
A Curious Observer's Handbook of Quantum Mechanics, pt.  3: vetri colorati rosa

Getty Images / Urich Lawson

Una delle rivoluzioni più silenziose Dal nostro secolo attuale, la meccanica quantistica è entrata nella nostra tecnologia quotidiana. Gli effetti quantistici erano limitati ai laboratori di fisica e agli esperimenti microscopici. Ma la tecnologia moderna fa sempre più affidamento sulla meccanica quantistica per i suoi processi fondamentali e gli effetti quantistici aumenteranno di importanza solo nei prossimi decenni. In quanto tale, il fisico Miguel F. Morales ha assunto l’arduo compito di spiegare la meccanica quantistica al resto di noi persone normali in questa serie in sette parti (senza la matematica, lo promettiamo). Di seguito è la terza storia della serie, ma puoi sempre trovarla La storia inizia qui.

Finora, abbiamo visto le particelle muoversi come onde e abbiamo imparato che una singola particella può prendere percorsi multipli e ampiamente distanziati. Ci sono una serie di domande che sorgono naturalmente da questo comportamento, una delle quali è: “Quanto è grande la particella?” La risposta è straordinariamente precisa e nelle prossime due settimane (e articoli) esploreremo vari aspetti di questa domanda.

Oggi inizieremo con una domanda apparentemente semplice: come Lungo È particella? “

Andando per molto tempo

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo considerare una nuova esperienza. In precedenza, abbiamo inviato un fotone su due percorsi completamente diversi. Mentre le tracce erano ampiamente separate in quell’esperimento, le loro lunghezze erano identiche: ciascuna ruotava attorno a due lati del rettangolo. Possiamo migliorare questa impostazione aggiungendo due specchi, che ci consentono di modificare gradualmente la lunghezza di uno dei percorsi.

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Un'esperienza a due tracce migliorata in cui possiamo regolare la lunghezza di un percorso.
Ingrandire / Un’esperienza a due tracce migliorata in cui possiamo regolare la lunghezza di un percorso.

Foto di Miguel Morales

Quando i percorsi hanno la stessa lunghezza, vediamo le linee proprio come abbiamo fatto nel primo articolo. Ma quando facciamo un percorso più lungo o più corto, le linee svaniscono lentamente. Questa è la prima volta che vediamo strisce che scompaiono lentamente; Nei nostri esempi precedenti, le linee erano presenti o meno.

Inizialmente possiamo associare questa dissolvenza alle linee mentre cambiamo la lunghezza del percorso in Lunghezza Il Photon scende in pista. Le linee compaiono solo se le onde fotoniche si sovrappongono quando vengono riassemblate.

Ma se le particelle viaggiano in onde, cosa intendiamo per lunghezza? Una mentalità utile potrebbe essere quella di gettare un sassolino in una pozza d’acqua morbida. Le increspature risultanti vengono distribuite in tutte le direzioni come un insieme di anelli. Se tracci una linea dal punto in cui la roccia è caduta attraverso gli anelli, ce ne sono da cinque a 10. In altre parole, c’è un ispessimento dell’anello delle onde.

Un altro modo di vederlo è come se fossimo tappi sull’acqua; Non sentiremo onde, un periodo di onde, poi di nuovo l’acqua liscia dopo che l’increspatura è passata. Possiamo dire che la “lunghezza” dell’onda è la distanza / tempo che abbiamo passato le onde.

Increspature sullo stagno.  Notare lo spessore dell'anello ondulato.
Ingrandire / Increspature sullo stagno. Notare lo spessore dell’anello ondulato.

Roberto Machado Noa / Getty Images

Allo stesso modo, possiamo pensare a un fotone viaggiante come un insieme di increspature, una massa di onde che entra nella nostra esperienza. Le onde si separano naturalmente e prendono entrambi i percorsi, ma possono essere riunite solo se le lunghezze dei due percorsi sono abbastanza vicine da consentire alle increspature di interagire quando vengono riunite. Se i percorsi fossero molto diversi, una serie di increspature si sarebbe già incrociata prima che arrivasse l’altra.

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Questa immagine spiega bene perché le linee scompaiono lentamente: sono potenti quando c’è un’interferenza perfetta, ma svaniscono quando l’interferenza diminuisce. Misurando la distanza fino alla scomparsa delle linee, abbiamo misurato la lunghezza d’onda delle increspature della particella.

Forare attraverso un vassoio della lampadina

Possiamo passare attraverso le nostre solite esperienze e vedere le stesse caratteristiche che abbiamo visto prima: abbassando la velocità dei fotoni (che si traduce in paintball che punteggiano le linee), cambiando colore (i colori blu significano una spaziatura più stretta), ecc. Ma ora possiamo anche misurare il comportamento delle linee durante la regolazione Lunghezza del sentiero.

Mentre spesso usiamo i laser per generare particelle di luce (sono fantastici lanciatori di fotoni), qualsiasi tipo di luce farà il lavoro: lampada a incandescenza, lampada da camera a LED, lampada al neon, lampioni al sodio, luce stellare, la luce passa attraverso i filtri colorati . Qualunque sia il tipo di luce che inviamo, crea linee quando le lunghezze del percorso corrispondono. Ma le linee svaniscono a distanze dai micron alla luce bianca Centinaia di chilometri Per la massima qualità del laser.

Le sorgenti luminose con colori distinti tendono ad avere le increspature più lunghe. Possiamo investigare le proprietà cromatiche delle nostre sorgenti luminose inviando la loro luce attraverso un prisma. Alcune sorgenti luminose hanno una gamma di colori molto ristretta (luce laser, lampada al neon, lampione al sodio); Alcuni di loro hanno un ampio arcobaleno di colori (lampada a incandescenza, lampada da camera a LED, luce stellare); Altri, come la luce solare trasmessa attraverso un filtro colorato, sono intermedi nella gamma di colori compositi.

Quello che notiamo è che esiste una correlazione: più stretto è lo spettro di colori della sorgente luminosa, più lunga sarà la differenza di percorso prima che le strisce scompaiano. Il colore in sé non ha importanza. Se scegli un filtro rosso e un filtro blu che consentono la stessa resa cromatica attraverso di esso, le loro strisce scompariranno quando lo stesso percorso è diverso. It Dominio Dal colore che conta, non dal colore medio.

Il che ci porta a un risultato alquanto sorprendente: la lunghezza d’onda di una particella è determinata dalla gamma di colori (e quindi energie) che possiede. La lunghezza non è un valore specifico per un tipo specifico di particella. Semplicemente perforando il vassoio delle sorgenti luminose, abbiamo realizzato fotoni di lunghezze che vanno dai micron (luce bianca) a pochi centimetri (puntatore laser).

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