A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 2: Particle Melting Pot

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 solo di importanza nei prossimi decenni. Come tale, il fisico Miguel F. Morales ha intrapreso l’arduo compito di spiegare la meccanica quantistica al resto di noi persone comuni in questa serie di sette parti (Niente matematicaPromettiamo). Di seguito è la seconda storia della serie, ma puoi sempre trovarla La storia inizia qui.

Bentornati al nostro secondo tour guidato della giungla meccanica quantistica! L’abbiamo visto la scorsa settimana Come le particelle si muovono come onde e colpiscono come particelle E come una singola particella prende più percorsi. Sebbene sorprendente, questa è un’area ben esplorata della meccanica quantistica: si trova sul sentiero lastricato naturale intorno al centro visitatori.

Questa settimana, vorrei togliermi dal sentiero asfaltato e immergermi un po ‘più a fondo nel bosco per parlare di come le particelle si fondono e si uniscono in movimento. Questa è una materia solitamente riservata alle major di Fisica; È raramente discusso in articoli popolari. Ma il guadagno è capire come funziona il micro-lidar e conoscere una delle grandi invenzioni del laboratorio, il pettine ottico. Quindi andiamo a sporcare un po ‘le nostre scarpe da trekking (manica) – ne varrà la pena.

Jesseman

Cominciamo con una domanda: se le particelle si muovono come onde, cosa succede quando i percorsi di due particelle si sovrappongono? O in un altro modo, le onde delle particelle interagiscono solo con se stesse o si mescolano?

Ingrandire / A sinistra c’è l’interferometro della scorsa settimana, in cui una particella è divisa dal primo specchio e prende due percorsi completamente diversi. Sulla destra c’è la nostra nuova configurazione in cui iniziamo con molecole di due diversi laser e le combiniamo.

Foto di Miguel Morales

Possiamo testarlo in laboratorio modificando l’impostazione che abbiamo usato la scorsa settimana. Invece di dividere la luce di un singolo laser in due percorsi, possiamo usare due laser separati per creare la luce che entra nello specchio mezzo argento finale.

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Dobbiamo stare attenti ai laser che utilizziamo e la qualità del tuo puntatore laser non è più all’altezza del compito. Se misuri attentamente la luce da un laser normale, il colore della luce e la fase dell’onda (quando si verificano le creste dell’onda) vagano. Questa fuga di colore è sfocata ai nostri occhi – il laser sembra ancora rosso – ma si scopre che la tonalità esatta del rosso varia. Questo è un problema che il denaro e le nuove tecnologie possono risolvere: se spendiamo abbastanza soldi, possiamo acquistare un laser a posizione chiusa di precisione. Grazie a questi possiamo avere due laser che emettono fotoni dello stesso colore con picchi d’onda bilanciati nel tempo.

Quando combiniamo la luce di due laser di alta qualità, vediamo esattamente lo stesso motivo a strisce che abbiamo visto prima. Le onde di particelle prodotte da due diversi laser interagiscono!

Quindi cosa succede se andiamo di nuovo al limite del singolo fotone? Possiamo abbassare l’intensità dei due laser in modo da vedere i fotoni apparire uno dopo l’altro sullo schermo, come piccole palle di vernice. Se la velocità è sufficientemente bassa, tra il laser e lo schermo sarà presente un solo fotone alla volta. Quando eseguiremo questo esperimento, vedremo i fotoni arrivare sullo schermo uno per uno. Ma quando guardiamo lo sbalzo del tabellone, vedremo le stesse linee che abbiamo visto la scorsa settimana. Ancora una volta, vediamo una singola interferenza della particella.

Si scopre che tutti gli esperimenti che avevamo prima danno esattamente la stessa risposta. Alla natura non importa se una particella sta interagendo con se stessa o se due particelle interagiscono tra loro: un’onda è un’onda e le onde delle particelle agiscono come le altre.

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Ma ora che abbiamo due tipi di laser di precisione, abbiamo una serie di nuovi esperimenti che possiamo provare.

Due colori

Innanzitutto, proviamo a interferire con fotoni di diversi colori. Prendiamo il colore di uno dei laser e rendiamolo un po ‘più blu (lunghezza d’onda più corta). Quando guardiamo lo schermo, vediamo di nuovo le linee, ma ora le linee vanno lentamente di lato. Sia l’aspetto che il movimento delle linee sono interessanti.

Innanzitutto, il fatto che vediamo delle linee indica che particelle di diversa energia stanno ancora interagendo.

La seconda osservazione è che il modello pianificato ora dipende dal tempo; Le strisce camminano di lato. Poiché aumentiamo la differenza di colore tra i laser, la velocità delle linee aumenta. I musicisti tra il pubblico riconosceranno già lo schema di battuta che stiamo vedendo, ma prima di arrivare alla spiegazione mettiamo a punto il nostro setup sperimentale.

Se siamo soddisfatti dell’uso di laser stretti, possiamo utilizzare un prisma per incorporare flussi di luce. Di solito un prisma viene utilizzato per dividere un singolo raggio di luce e inviare ogni colore in una direzione diversa, ma possiamo usarlo all’indietro e con un allineamento fine, utilizzare un prisma per combinare la luce di due laser in un raggio.

Due tipi di luce laser con colore diverso con prisma.  Dopo il post
Ingrandire / Due tipi di luce laser con colore diverso con prisma. Dopo il prisma la luce “batte” forte.

Foto di Miguel Morales

Se guardiamo all’intensità del raggio laser incorporato, vedremo l’intensità della luce “pulsante”. Mentre la luce emessa da ciascun laser era costante, quando i loro raggi di colori leggermente diversi si univano, il raggio risultante oscillava da luminoso a debole. I musicisti lo impareranno accordando i loro strumenti. Quando il suono di un diapason è combinato con il suono di una corda leggermente disarmonica, si possono sentire “pulsazioni” mentre il suono oscilla tra forte e basso. La velocità dell’impulso è la differenza nelle frequenze e l’accordo viene regolato impostando la velocità dell’impulso su zero (differenza di frequenza zero). Qui vediamo lo stesso con la luce: la frequenza degli impulsi è la differenza di colore tra i laser.

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Mentre questo ha senso quando si pensa alle stringhe di una macchina, è sorprendente quando si pensa ai fotoni. Abbiamo iniziato con due flussi di luce costanti, ma ora la luce si aggrega nei momenti in cui è luminoso e in quelli in cui è debole. Poiché la differenza tra i colori dei laser diventa maggiore (de-tuned), più veloce diventa l’impulso.

Paintball appena in tempo

Quindi cosa succede se abbassiamo di nuovo il laser davvero in basso? Ancora una volta vediamo i fotoni che colpiscono il nostro rivelatore uno per uno come piccole palle di vernice. Ma se guardiamo attentamente al momento dell’arrivo dei fotoni, scopriamo che non sono casuali: arrivano in tempo con gli impulsi. Non importa quanto abbassiamo il laser – i fotoni possono essere così rari da apparire solo una volta ogni 100 impulsi – ma arriveranno sempre in tempo con i rintocchi.

Questo modello è più interessante se confrontiamo il tempo di arrivo dei fotoni in questo esperimento con le linee che abbiamo visto con il nostro puntatore laser la scorsa settimana. Un modo per capire cosa sta succedendo nell’esperimento a due fenditure è visualizzare la natura ondulatoria della meccanica quantistica che guida mentre i fotoni possono atterrare fianco a fianco: i Paintball possono colpire in aree luminose piuttosto che in aree scure. Vediamo un modello simile nell’arrivo dei paintball nel pacchetto bicolore, ma ora i paintball sono diretti avanti e indietro al momento giusto e possono colpire solo a tempo con i battiti. I battiti possono essere considerati come strisce nel tempo.

Giustina Rizzo

"Professionista di musica estrema. Twitter geek. Aspirante fanatico di viaggi. Nerd appassionato di alcol."

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