Εγχειρίδιο ενός περίεργου παρατηρητή της κβαντικής μηχανικής, pt. 5: Σύλληψη ενός κύματος

Βυθίστηκε στις γραμμές του μοναστηριούΜΑΡΙΑ” από ήχος της μουσικής:

“Πώς συλλαμβάνεις ένα κύμα σαν τη Μαρία; Πώς κρατάς ένα σύννεφο και το κρατάς σταθερό;

Στα εξερευνητικά μας ταξίδια στην κβαντική έρημο μέχρι στιγμής, έχουμε δει τόσο γη όσο και ελεύθερα σωματίδια. Αλλά τα περισσότερα σωματίδια περνούν τη ζωή τους σε πιο περιορισμένες συνθήκες: ηλεκτρόνια παγιδευμένα στους βραχίονες των πυρήνων, δεσμευμένα άτομα σε μόρια ή τις διατεταγμένες γραμμές κρυστάλλων. Ο περιορισμός δεν είναι απαραιτήτως κακός – μόνο οι χορδές που συνδέονται στενά με ένα μουσικό όργανο μπορούν να κάνουν μουσική.

Στη σημερινή αύξηση του κβαντικού μηχανικού ξύλου, θα κρατήσουμε μερικές παγίδες για να δούμε πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια όταν παγιδεύονται. (Δεδομένου ότι τα είδη είναι ευαίσθητα, θα τα αντιμετωπίσουμε ευγενικά και θα τα πυροδοτήσουμε όταν τελειώσουμε.) Σε αυτήν τη διαδικασία, θα διερευνήσουμε την προέλευση των φασμάτων εκπομπής από τα αστέρια και θα συναντήσουμε τεχνητά άτομα και κβαντικές κουκίδες, που παίζουν πρωτοπόρους ρόλους στο τα πάντα, από την κβαντική υπολογιστική ως την καταναλωτική τηλεόραση.

Γιατί το πουλί τραγουδά σε ένα κλουβί

Όπως έχουμε δει πολλές φορές, όλα τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα. Αλλά τι συμβαίνει όταν παγιδεύουμε ένα κύμα; Πώς αλλάζει η συμπεριφορά ενός σωματιδίου όταν το εμποδίζουμε;

Ένα υπέροχο καθημερινό παράδειγμα παγιδευμένου κύματος είναι η χορδή της κιθάρας. Πριν προσαρτηθεί στην κιθάρα, η χορδή μπορεί να δονείται με οποιονδήποτε τρόπο. Γρήγορα κύματα, αργά κύματα – κάθε τύπος κύματος είναι δυνατός. Αλλά όταν αγκιστρώνουμε και μαζεύουμε τη χορδή σε μια κιθάρα, το κύμα που προκύπτει παγιδεύεται από τα άκρα της κιθάρας. Το κύμα μπορεί να αναπηδήσει μεταξύ των άκρων, αλλά δεν μπορεί να ξεφύγει.

Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, επιτρέπονται ορισμένοι συνδυασμοί κυμάτων (αρμονικές), αλλά είναι δυνατοί μόνο κύματα σωστού μήκους. Όταν το κύμα μας περιβάλλει, πήγαμε από οποιαδήποτε πιθανή παρατήρηση σε μια κατάσταση όπου μόνο εκείνα τα κύματα που χωράνε στην παγίδα – και οι παρατηρήσεις που αντιστοιχούσαν σε αυτό – μπορούσαν να υπάρχουν. Με άλλα λόγια, οι ήχοι χορδής κιθάρας είναι προκαλεί Παγίδα. Και όταν βάζουμε ένα δάχτυλο στους τάφους για να αλλάξουμε το μέγεθος της παγίδας, αλλάζει το μέγεθος των κυμάτων που ταιριάζουν και οι νότες που ακούμε αλλάζουν.

Μπορούμε να δούμε το ίδιο πράγμα να συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια. Το 1993, ο Don Eagler και οι συνάδελφοί του δημιούργησαν μια ηλεκτρονική παγίδα τοποθετώντας 48 άτομα σιδήρου σε ένα δαχτυλίδι πάνω από μια πλάκα χαλκού. Ο δακτύλιος που αποτελείται από άτομα σιδήρου δημιουργεί έναν κβαντικό βρόχο – μια κυκλική ηλεκτρονική παγίδα. Κατά την απεικόνιση με μικροσκόπιο σήραγγας σάρωσης, το παγιδευμένο κύμα ηλεκτρονίων μπορεί να φανεί καθαρά μέσα στον δακτύλιο ατόμων σιδήρου.

Επειδή τα σωματίδια κινούνται σαν κύματα, ανταποκρίνονται όπως κάθε άλλος τύπος κυμάτων όταν ανιχνεύονται – τραγουδούν μια συγκεκριμένη μουσική νότα. Το ηλεκτρόνιο στον κβαντικό θάλαμο είναι παρόμοιο με τις δονήσεις της κεφαλής του τυμπάνου. Αυτό δεν είναι τυχαίο: ο κύλινδρος δημιουργεί επίσης μια κυκλική παγίδα για κύματα παρόμοια με τον κβαντικό θάλαμο. Η παρατήρηση ότι τα κβαντικά σωματίδια συλλαμβάνουν ορισμένες παρατηρήσεις όταν παγιδεύονται είναι αποτέλεσμα της μετακίνησης σαν κύματα. Έτσι, καταγράφοντας κύματα σωματιδίων, μπορούμε να φτιάξουμε μουσική.