Εγχειρίδιο ενός περίεργου παρατηρητή της κβαντικής μηχανικής, pt. 4: Κοιτάζοντας τα αστέρια

Aurick Lawson / Getty Images

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 στους κλασικούς μηχανικούς στους υπόλοιπους φυσιολογικούς ανθρώπους σε αυτήν τη σειρά επτά μερών (χωρίς τα μαθηματικά, υποσχόμαστε). Παρακάτω είναι η τέταρτη ιστορία της σειράς, αλλά μπορείτε πάντα να τη βρείτε Έναρξη ιστορίας περισσότερο από Σελίδα προορισμού για ολόκληρη τη σειρά μέχρι στιγμής Ενεργός.

Οι όμορφες τηλεσκοπικές εικόνες του σύμπαντός μας συνδέονται συχνά με την μεγαλοπρεπή κλασική φυσική του Νεύτωνα. Ενώ η κβαντική μηχανική κυριαρχεί στον μικροσκοπικό κόσμο των ατόμων και των κουάρκ, οι κινήσεις των πλανητών και των γαλαξιών ακολουθούν τον επιβλητικό μηχανισμό ρολογιού της κλασικής φυσικής.

Αλλά δεν υπάρχει φυσικό όριο στο μέγεθος των ποσοτικών επιδράσεων. Αν κοιτάξουμε προσεκτικά τις εικόνες που παράγονται από τηλεσκόπια, θα δούμε τα χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής. Αυτό συμβαίνει επειδή τα σωματίδια του φωτός πρέπει να ταξιδεύουν μέσα από τεράστιες περιοχές του χώρου με κυματοειδή τρόπο για να σχηματιστούν Ομορφες εικόνες μας αρέσει.

Αυτή την εβδομάδα θα επικεντρωθούμε στον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύουν τα φωτόνια σε έτη φωτός και πώς το εγγενές κβαντικό μήκος κύματος τους επιτρέπει στα σύγχρονα τηλεσκόπια, συμπεριλαμβανομένων των τηλεσκοπίων, να μετρήσουν τις παρεμβολές σε μέγεθος Γης.

READ  Η Κίνα εκτόξευσε με επιτυχία τον πυραύλο Long March 7A μετά την πρώτη αποτυχημένη προσπάθεια

Αστροφεγγιά

Πώς πιστεύουμε για το φως που προέρχεται από ένα μακρινό αστέρι; Την περασμένη εβδομάδα χρησιμοποιήσαμε την αναλογία ρίχνοντας ένα βότσαλο σε μια λίμνη, με ένα δαχτυλίδι κυματισμών στο νερό σε μια κίνηση παρόμοια με την κίνηση των κυματοειδών φωτονίων. Αυτή η μέτρηση μας βοήθησε να κατανοήσουμε το μήκος κυματισμού του σωματιδίου και πώς τα φωτόνια αλληλεπικαλύπτονται και συσσωρεύονται μαζί.

Μπορούμε να συνεχίσουμε με αυτήν την αναλογία. Κάθε αστέρι είναι παρόμοιο με τον Ήλιο, καθώς είναι φτιαγμένο Πολύ Από φωτόνια. Σε αντίθεση με κάποιον που ρίχνει προσεκτικά ένα μόνο βότσαλο σε μια ομαλή λίμνη, είναι σαν να ρίχνουμε βότσαλα σε ένα κουβά με βότσαλα. Κάθε βότσαλο δημιουργεί ένα δαχτυλίδι κυματισμών, και οι κυματισμοί απλώνονται από κάθε πέτρα όπως πριν. Αλλά οι κυματισμοί τώρα αναμιγνύονται συνεχώς και επικαλύπτονται. Καθώς βλέπουμε τα κύματα να κατευθύνονται προς την ακτή της Γης, δεν βλέπουμε τους κυματισμούς από κάθε βότσαλο ξεχωριστά. Αντ ‘αυτού, έχει προστεθεί ένα μείγμα πολλών μεμονωμένων κυμάτων.

Χαοτικά κύματα από ένα χαλίκι αστέρι που διασχίζει τη λίμνη.  Οι κυματισμοί πολλών βότσαλων αλληλεπικαλύπτονται, δημιουργώντας ένα σύνθετο σύνολο κυμάτων.
Μεγέθυνση / Χαοτικά κύματα από ένα χαλίκι αστέρι που διασχίζει τη λίμνη. Οι κυματισμοί πολλών βότσαλων αλληλεπικαλύπτονται, δημιουργώντας ένα σύνθετο σύνολο κυμάτων.

Φωτογραφία του Μιγκέλ Μοράλες

Ας φανταστούμε λοιπόν ότι στέκουμε στην όχθη μιας λίμνης ενώ τα κύματα πλένονται και κοιτάμε τα βότσαλα «αστέρι» με ένα τηλεσκόπιο κυμάτων νερού. Ένας φακός τηλεσκοπίου εστιάζει τα κύματα από το αστέρι σε ένα σημείο: το μέρος στον αισθητήρα κάμερας όπου το φως από αυτό το αστέρι κατεβαίνει.

Εάν ένα δεύτερο κουβά με βότσαλα ρίχτηκε στη λίμνη κατά μήκος της απέναντι ακτής, οι κυματισμοί θα επικαλύπτονταν στην ακτή μας, αλλά θα εστιάζονταν από το τηλεσκόπιο σε δύο ξεχωριστά σημεία στον ανιχνευτή. Παρομοίως, ένα τηλεσκόπιο μπορεί να διαχωρίσει το φως από τα αστέρια σε δύο ξεχωριστές ομάδες – τα φωτόνια από το αστέρι A και τα φωτόνια από το αστέρι B.

READ  Η NASA υπογράφει συμφωνία 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων με τη Northrop Grumman για την κατασκευή ενός στούντιο διαμερίσματος σε σεληνιακή τροχιά με χώρο για τρία οχήματα • Το μητρώο

Τι γίνεται όμως αν τα αστέρια είναι τόσο κοντά; Τα περισσότερα από τα “αστέρια” που βλέπουμε τη νύχτα είναι στην πραγματικότητα διπλά αστέρια – δύο ήλιοι που είναι πολύ κοντά μεταξύ τους και εμφανίζονται ως μια φωτεινή σταγόνα φωτός. Όταν σε μακρινούς γαλαξίες, τα αστέρια μπορούν να διαχωριστούν από έτη φωτός, αλλά μοιάζουν με ένα μοναδικό σημείο στα επαγγελματικά τηλεσκόπια. Θα χρειαστούμε ένα τηλεσκόπιο που μπορεί με κάποιο τρόπο να ταξινομήσει τα φωτόνια που παράγονται από τα διάφορα αστέρια για να το λύσει. Παρόμοια πράγματα ισχύουν εάν θέλουμε να απεικονίσουμε λειτουργίες όπως ηλιακές κηλίδες ή να ανάβουν Επιφάνεια ενός αστεριού.

Πίσω στη λίμνη, δεν υπάρχει τίποτα το ιδιαίτερο για τους κυματισμούς που δημιουργούνται από τα διαφορετικά βότσαλα – οι κυματισμοί που παράγονται από ένα βότσαλο δεν διακρίνονται από τους κυματισμούς που δημιουργούνται από έναν άλλο. Το κύμα τηλεσκόπιο δεν με νοιάζει εάν οι κυματισμοί προέρχονταν από διαφορετικά βότσαλα σε έναν κάδο ή εντελώς διαφορετικούς κουβάδες – ένας κυματισμός είναι ένας κυματισμός. Το ερώτημα είναι πόσο μακριά πρέπει να πέσουν δύο βότσαλα ώστε το τηλεσκόπιο μας να διακρίνει ότι οι κυματισμοί προέρχονταν από διαφορετικές τοποθεσίες;

Μερικές φορές όταν είστε μπερδεμένοι είναι καλύτερο να περπατήσετε αργά κατά μήκος της παραλίας. Έτσι θα έχουμε δύο φίλους να κάθονται στην ακτή και να ρίχνουν βότσαλα, καθώς περπατάμε κατά μήκος της ακτής, κοιτάμε τα κύματα και συλλογίζουμε βαθιές σκέψεις. Καθώς περπατάμε κατά μήκος της παραλίας, βλέπουμε ότι τα κύματα από τους φίλους μας επικαλύπτονται παντού και τα κύματα έρχονται τυχαία. Φαίνεται ότι δεν υπάρχει μοτίβο.

READ  Οι επιστήμονες λένε ότι έχουν βρει το πλησιέστερο κρούσμα της πανώλης μέχρι στιγμής

Ωστόσο, σε στενότερη επιθεώρηση, παρατηρούμε ότι σημεία στην παραλία πολύ κοντά ο ένας στον άλλο βλέπουν σχεδόν πανομοιότυπα κύματα. τα κύματα αυτή Τυχαία στο χρόνο, αλλά οι τοποθεσίες στην παραλία λίγα βήματα μακριά βλέπουν ένα αρχείο Ο ίδιος Μια τυχαία σειρά κυμάτων. Αλλά αν κοιτάξουμε τα κύματα που χτυπούν στην ακτή, τότε αυτό το τρένο κυμάτων είναι πολύ διαφορετικό από το κύμα που χτυπάει κοντά μας. Οποιαδήποτε δύο μέρη στην παραλία που είναι κοντά το ένα στο άλλο θα βλέπουν σχεδόν πανομοιότυπα κυματικά τρένα, αλλά ευρέως διασκορπισμένες τοποθεσίες στην ακτή θα βλέπουν διαφορετικά κυματικά τρένα.

Αυτό έχει νόημα αν σκεφτούμε τα κύματα στην παραλία ως ένα μείγμα μικρών κυματισμών από εκατοντάδες βότσαλα. Σε τοποθεσίες κοντά στην παραλία, κυματισμοί με βότσαλα έπεσαν από τους δύο φίλους με τον ίδιο τρόπο. Αλλά πιο μακριά από την ακτή, οι κυματισμοί ενός φίλου θα έπρεπε να ταξιδέψουν πιο μακριά, έτσι οι κυματισμοί συσσωρεύονται με διαφορετικό τρόπο, δίνοντάς μας ένα νέο τρένο.

Ενώ δεν μπορούμε πλέον να δούμε μεμονωμένους κυματισμούς με βότσαλα όταν συνδυάζονται σε κύματα, μπορούμε να επιταχύνουμε πόσο μακριά πρέπει να περπατήσουμε για να δούμε ένα νέο τρένο κυμάτων. Και αυτό μας λέει κάτι για το πώς οι κυματισμοί ενώνονται.

Μπορούμε να το επιβεβαιώσουμε ζητώντας από τους φίλους μας να ρίξουν κοντά στο άλλο. Όταν οι φίλοι μας είναι κοντά, παρατηρούμε ότι πρέπει να περπατήσουμε σε μεγάλη απόσταση κατά μήκος της ακτής μας για να δούμε τους κυματισμούς να συσσωρεύονται με διαφορετικό τρόπο. Αλλά όταν οι φίλοι μας είναι χωρισμένοι, μερικά βήματα στην ακτή μας θα κάνουν τα τρένα surf να φαίνονται διαφορετικά. Προσδιορίζοντας την απόσταση που πρέπει να περπατήσουμε πριν τα κύματα φαίνονται διαφορετικά, μπορούμε να προσδιορίσουμε πόσο μακριά είναι οι φίλοι μας που ρίχνουν βότσαλα.

Τηλεσκόπια μεγάλα και μικρά κοιτάζοντας τα ίδια δύο αστέρια.  Δεδομένου ότι τα κύματα φαίνονται διαφορετικά στα άκρα του Μεγάλου Τηλεσκοπίου, μπορούν να ταξινομήσουν τα κύματα σε δύο πηγές.  Για ένα μικρό τηλεσκόπιο, τα κύματα φαίνονται παρόμοια μέσω του φακού, οπότε βλέπετε τα δύο αστέρια ως μια άλυτη πηγή.
Μεγέθυνση / Τηλεσκόπια μεγάλα και μικρά κοιτάζοντας τα ίδια δύο αστέρια. Δεδομένου ότι τα κύματα φαίνονται διαφορετικά στα άκρα του Μεγάλου Τηλεσκοπίου, μπορούν να ταξινομήσουν τα κύματα σε δύο πηγές. Για ένα μικρό τηλεσκόπιο, τα κύματα φαίνονται παρόμοια μέσω του φακού, οπότε βλέπετε τα δύο αστέρια ως μια άλυτη πηγή.

Φωτογραφία του Μιγκέλ Μοράλες

Το ίδιο αποτέλεσμα συμβαίνει και με τα κύματα φωτονίων, τα οποία μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε την ακρίβεια του τηλεσκοπίου. Κοιτάζοντας ένα μακρινό δυαδικό αστέρι, εάν τα κύματα φωτός που εισέρχονται στις αντίθετες άκρες του τηλεσκοπίου φαίνονται διαφορετικά, το τηλεσκόπιο μπορεί να διαχωρίσει τα φωτόνια σε δύο διαφορετικές ομάδες – τα φωτόνια από το αστέρι Α και τα φωτόνια από το αστέρι Β. Αλλά αν τα κύματα φωτός εισέρχονται στα αντίθετα άκρα του τηλεσκοπίου, τότε το τηλεσκόπιο δεν μπορεί πλέον να ταξινομήσει τα φωτόνια σε δύο ομάδες και το δυαδικό αστέρι θα μοιάζει με ένα σημείο του τηλεσκοπίου μας.

Εάν θέλετε να λύσετε στενά αντικείμενα, το προφανές πράγμα που πρέπει να κάνετε είναι να κάνετε τη διάμετρο του τηλεσκοπίου μεγαλύτερη. Όσο πιο μακριά είναι τα άκρα του τηλεσκοπίου, τόσο πιο κοντά και πιο διακριτά είναι τα αστέρια. Τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια έχουν καλύτερη ανάλυση από τα μικρότερα τηλεσκόπια και μπορούν να διαχωρίσουν το φως από κοντινές πηγές. Αυτή είναι μια από τις ιδέες πίσω από την κατασκευή τεράστιων τηλεσκοπίων σε διάμετρο 30 ή και 100 μέτρων – όσο μεγαλύτερο είναι το τηλεσκόπιο, τόσο καλύτερη είναι η ακρίβεια. (Αυτό ισχύει πάντα στο διάστημα και ισχύει στη Γη χρησιμοποιώντας προσαρμοστικά οπτικά για τη διόρθωση των ατμοσφαιρικών παραμορφώσεων.)

Για μεγαλύτερα τηλεσκόπια είναι πραγματικά καλύτερο.

Αφήστε μια απάντηση

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