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

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 περιοχή που έχει διερευνηθεί καλά για την κβαντομηχανική – βρίσκεται στο φυσικό πλακόστρωτο μονοπάτι γύρω από το κέντρο επισκεπτών.

Αυτή την εβδομάδα, θα ήθελα να κατεβείτε από το πλακόστρωτο μονοπάτι και να βυθίσω λίγο βαθύτερα 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 μάθουμε για μια από τις μεγάλες 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;

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.

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 κορυφές 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.

Αποδεικνύεται ότι όλα τα πειράματα που είχαμε πριν δώσουμε ακριβώς την ίδια απάντηση. Η φύση δεν με νοιάζει αν ένα από τα σωματίδια αλληλεπιδρά με τον εαυτό του ή αν υπάρχουν δύο σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους – ένα κύμα είναι ένα κύμα και τα κύματα σωματιδίων δρουν όπως 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 σχεδιαζόμενο μοτίβο εξαρτάται τώρα από το χρόνο. Οι ρίγες περπατούν στο πλάι. Εφόσον κάνουμε μεγαλύτερη τη διαφορά χρώματος μεταξύ των λέιζερ, αυξάνεται η ταχύτητα των γραμμών. 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.

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 δυσαρμονικής συμβολοσειράς, μπορεί κανείς να ακούσει “τόνους” καθώς ο ήχος κυμαίνεται μεταξύ δυνατού και απαλού. 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.

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 δύο σχισμών είναι να απεικονίσετε τη φύση της κβαντικής μηχανικής που μοιάζει με κύμα που οδηγεί όπου τα φωτόνια μπορούν να προσγειώνονται δίπλα-δίπλα: Τα paintball 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.