Pokyny zvedavého pozorovateľa pre kvantovú mechaniku, P.T. 2: taviaci kotol

Vitajte na našej druhej prechádzke so sprievodcom v kvantovej mechanickej džungli! Minulý týždeň sme sa dočkali Ako sa častice pohybujú ako vlny a zrážajú sa ako častice A ako častica ide mnohými cestami. Prekvapivo ide o dobre preskúmané pole kvantovej mechaniky – nachádza sa na spevnenej prírodnej ceste okolo návštevníckeho centra.

Tento týždeň chcem zísť z chodníka a ísť trochu hlbšie do lesa, aby som videl, ako sa častice pohybujú a kombinujú v pohybe. Toto je predmet zvyčajne vyhradený pre veľké fyziky; Málokedy sa o ňom hovorí v populárnych článkoch. Ale prínosom je pochopenie toho, ako precízne funguje LIDAR, a jeden skvelý vynález, ktorý z neho robí laboratórium optickým hrebeňom. Poďme si teda (kvantové) turistické topánky trochu zašpiniť – stálo by to za to.

Dve častice

Začnime otázkou: Ak sa častice pohybujú ako vlny, čo sa stane, keď prekryjem dráhu dvoch častíc? Alebo existuje iný spôsob, interagujú časticové vlny iba medzi sebou alebo sa navzájom prelínajú?

Môžeme to otestovať v laboratóriu úpravou nastavenia použitého minulý týždeň. Namiesto rozdelenia svetla z jedného laseru na dve dráhy môžeme pomocou dvoch rôznych laserov vytvoriť svetlo prichádzajúce v poslednom polovičnom striebornom zrkadle.

Musíme si dávať pozor na laser, ktorý používame, a kvalita vášho laserového ukazovateľa už prestáva byť úlohou. Ak opatrne meriate svetlo z bežného laseru, farba svetla a fáza vlny (keď sa vyskytujú vlnové vrcholy) sa točia okolo neho. Táto farebná palička nie je pre naše oči škodlivá – laser stále vyzerá červeno – ale ukázalo sa, že presný odtieň červenej sa mení. To je problém. Peniaze a moderná technológia to môžu napraviť – ak uvoľníme dostatok peňazí, môžeme si kúpiť presné lasery s uzamknutím režimu. Vďaka tomu môžeme vyrobiť dva lasery vyžarujúce fotóny rovnakej farby s časovo vyrovnanými vlnami.

Keď skombinujeme svetlo z dvoch vysoko kvalitných laserov, uvidíme úplne rovnaký pásový vzor, ​​aký sme videli predtým. Vlny častíc produkované dvoma rôznymi lasermi interagujú!

Čo sa teda stane, ak sa vrátime k limitu jedného fotónu? Intenzitu dvoch laserov môžeme znížiť natoľko, že vidíme, že sa na obrazovke naraz objavujú fotóny ako malé guľôčky. Ak je rýchlosť dostatočne nízka, bude medzi laserom a obrazovkou naraz existovať iba jeden fotón. Keď urobíme tento experiment, uvidíme, že fotóny prichádzajú na obrazovku jeden po druhom; Ale keď sa pozrieme na nahromadenú maľbu pointilizmu, uvidíme rovnaké pruhy, aké sme videli minulý týždeň. Opäť vidíme interferenciu jednotlivých častíc.

Ukazuje sa, že všetky experimenty, ktoré sme predtým robili, poskytli úplne rovnakú odpoveď. Príroda nezáleží na tom, či častica interaguje sama so sebou alebo či dve častice interagujú spoločne – vlna je vlna a vlna častice funguje ako ktorákoľvek iná vlna.

Ale teraz, keď máme dva presné lasery, máme veľa nových experimentov, ktoré môžeme vyskúšať.

Dve farby

Najskôr sa pokúsme interferovať s fotónmi rôznych farieb. Zoberme si farbu jedného z laserov a urobme ju mierne modrejšou (kratšia vlnová dĺžka). Keď sa pozrieme na obrazovku, znova vidíme pruhy, ale teraz sa pruhy pohybujú pomaly. Zaujímavé sú prítomnosť pruhov a ich rýchlosť.

Po prvé, skutočnosť, že vidíme pruhy, ukazuje, že častice rôznych energií stále interagujú.

Druhým pozorovaním je, že pruhovaný vzor je teraz závislý od času; Pruhy prebiehajú bokom. Keď rozlišujeme farbu medzi lasermi, rýchlosť pruhov sa zvyšuje. Hudobníci v publiku už rozpoznajú rytmický vzor, ​​ktorý vidíme, ale skôr ako prejdeme k vysvetleniu, vylepšme naše experimentálne nastavenie.

Ak sme spokojní s používaním úzkych laserových lúčov, môžeme pomocou hranola kombinovať svetelné prúdy. Hranol sa zvyčajne používa na rozdelenie jedného svetelného lúča a na vyslanie každej farby iným smerom, ale môžeme ho použiť dozadu a pri starostlivom zarovnaní je svetlo z dvoch laserov rovnaké. Pomocou hranola sa pripojte do lúča.

Ak sa pozrieme na intenzitu kombinovaného laserového lúča, uvidíme intenzitu úderov svetla. „Zatiaľ čo svetlo každého lasera bolo konštantné, keď sú ich lúče kombinované s rôznymi farbami, výsledný lúč osciluje od jasného po slabý. Hudobníci to spoznajú podľa ladenia svojich nástrojov. Keď sa zvuk z ladičky skombinuje so zvukom mierne rozladenej struny, budete počuť „údery“, keď zvuk kmitá medzi hlasným a jemným. Rýchlosť úderov je rozdiel vo frekvenciách a rytmus sa vyladí úpravou rýchlosti úderov na nulu (nulový rozdiel vo frekvencii). Tu vidíme to isté so svetlom – zelená frekvencia je farebný rozdiel medzi lasermi.

Aj keď to má zmysel pri úvahách o hudobných nástrojoch, je prekvapivé, keď uvažujeme o fotónoch. Začali sme dvoma ustálenými prúdmi svetla, ale teraz je šteklenie, keď je svetlo jasné a všípané v čase. Keď sa rozostup medzi farbami laserov zväčší (vyladia sa), dôjde k rýchlemu pulzovaniu.

Paintball včas

No a čo v prípade, že skutočne znova znížime počet laserov? Opäť vidíme, že fotóny narazili na náš detektor ako malé guľky naraz. Ak ale pozorne sledujeme čas príchodu fotónov, vidíme, že to nie je náhodné – prichádzajú včas včas. Bez ohľadu na to, ako nízko ohýbame lasery – fotóny môžu byť také zriedkavé, že ukazujú iba každých 100 úderov – ale s údermi prídu vždy včas.

Tento vzor je ešte zaujímavejší, ak porovnáme čas príchodu fotónov v tomto experimente s pruhmi, ktoré sme minulý týždeň videli pomocou nášho laserového ukazovateľa. Jedným zo spôsobov, ako pochopiť, čo sa deje v dvojštrbinovom experimente, je usmerniť vlnovú povahu kvantovej mechaniky, kde sa môžu fotóny prenášať vedľa seba: guľky môžu zasiahnuť svetlé oblasti, nie tmavé oblasti. Podobný vzorec vidíme aj pri príchode paintballových guľôčok v dvojfarebných lúčoch, ale teraz sú paintballové gule včas smerované tam a späť a dajú sa včas zasiahnuť iba údermi. Beaty možno považovať za pruhy v čase.