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

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.

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.

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.

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.