mars 7, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

En nysgjerrig observasjonsveiledning for kvantemekanikk, pt.  2: Smeltedigelen av partikler

En nysgjerrig observasjonsveiledning for kvantemekanikk, pt. 2: Smeltedigelen av partikler

En av de roligste revolusjonene Vårt nåværende århundre har vært kvantemekanikkens innføring i vår hverdagsteknologi. Det pleide å være at kvanteeffekter var begrenset til fysikklaboratorier og delikate eksperimenter. Men moderne teknologi er i økende grad avhengig av kvantemekanikk for sin grunnleggende drift, og betydningen av kvanteeffekter vil bare vokse de neste tiårene. Som sådan har fysikeren Miguel F. Morales påtatt seg den herkulære oppgaven med å forklare kvantemekanikk for lekmenn i denne syvdelte serien (ingen matte, lover vi). Nedenfor er den andre historien i serien, men du kan alltid finne den starthistorien her.

Velkommen tilbake til den andre guidede turen vår gjennom kvantemekanikkens skog! I forrige uke så vi det hvordan partikler beveger seg som bølger og treffer som partikler og hvordan en enkelt partikkel tar flere baner. Selv om det er overraskende, er dette et godt utforsket område med kvantemekanikk – det ligger på den asfalterte naturstien rundt besøkssenteret.

Denne uken vil jeg gjerne gå av den asfalterte veien og inn i skogen litt dypere for å snakke om hvordan partikler smelter sammen og kombineres mens de er i bevegelse. Dette er et fag som generelt er reservert for fysikkstudenter; det blir sjelden diskutert i populære artikler. Men utbyttet er å forstå hvordan presisjonslidar fungerer og å kunne se en av de store oppfinnelsene som kommer ut av laboratoriet, den optiske kam. Så la oss få våre (kvante) tursko litt skitne, det vil være verdt det.

To partikler

La oss starte med et spørsmål: hvis partiklene beveger seg som bølger, hva skjer når jeg overlapper banene til to partikler? Eller på en annen måte, samhandler partikkelbølger bare med seg selv eller blandes de?

Forstørre / Til venstre er forrige ukes interferometer, hvor en enkelt partikkel deles av det første speilet og tar to veldig forskjellige veier. Til høyre er vårt nye oppsett der vi starter med partikler fra to forskjellige lasere og kombinerer dem.

Miguel Morales plassholderbilde

Vi kan teste dette i laboratoriet ved å endre innstillingene vi brukte forrige uke. I stedet for å dele lyset fra en laser i to baner, kan vi bruke to separate lasere for å lage lyset som kommer inn i det siste sølvhalvspeilet.

READ  Los científicos obtienen el primer vistazo a una muestra de asteroide desde el espacio

Vi må være forsiktige med laserne vi bruker, og kvaliteten på laserpekeren er ikke lenger på nivå. Hvis du nøye måler lyset fra en vanlig laser, avviker fargen på lyset og fasen av bølgen (når bølgetopper oppstår). Denne fargen er ikke merkbar for øynene våre, laseren ser fremdeles rød ut, men det viser seg at den eksakte fargen på rødt varierer. Dette er et problem som penger og moderne teknologi kan løse: Hvis vi betaler ut nok kontanter, kan vi kjøpe presisjonsmoduslåsende lasere. Takket være disse kan vi ha to lasere, som begge sender ut fotoner i samme farge med bølgetopp justert i tid.

Når vi kombinerer lyset fra to høykvalitetslasere, ser vi nøyaktig det samme stripemønsteret som vi så før. Partikkelbølgene produsert av to forskjellige lasere samhandler!

Så hva skjer hvis vi går tilbake til grensen for enkeltfoton? Vi kan senke intensiteten til de to laserne så lavt at vi ser at fotonene vises en om gangen på skjermen, som små malingkuler. Hvis hastigheten er lav nok, vil bare en foton eksistere mellom laserne og skjermen om gangen. Når vi gjør dette eksperimentet, vil vi se at fotonene treffer skjermen en om gangen; men når vi ser på det akkumulerte pointillismaleriet, vil vi se de samme stripene vi så i forrige uke. Nok en gang ser vi forstyrrelser fra en enkelt partikkel.

Det viser seg at alle eksperimentene vi gjorde før gir nøyaktig det samme svaret. Naturen bryr seg ikke om en partikkel samhandler med seg selv eller om to partikler samhandler med hverandre: en bølge er en bølge, og partikkelbølger fungerer som alle andre bølger.

READ  NASA velger SpaceXs Falcon Heavy for å lansere to viktige deler av Lunar Gateway

Men nå som vi har to presisjonslasere, har vi flere nye eksperimenter som vi kan teste.

To farger

La oss først prøve å forstyrre fotoner i forskjellige farger. La oss ta fargen på en av laserne og gjøre den litt mer blå (kortere bølgelengde). Når vi ser på skjermen ser vi striper igjen, men nå går stripene sakte sideveis. Både utseendet på stripene og bevegelsen deres er interessant.

For det første indikerer det faktum at vi ser striper at partikler med forskjellig energi fremdeles samhandler.

Den andre observasjonen er at stripemønsteret nå er tidsavhengig; striper går til siden. Når vi øker fargeforskjellen mellom laserne, øker hastigheten på stripene. Musikerne i publikum vil allerede gjenkjenne beatmønsteret vi ser, men før vi kommer til forklaringen, la oss forbedre vårt eksperimentelle oppsett.

Hvis vi nøyer oss med å bruke smale lasere, kan vi bruke et prisme for å kombinere lysstrømmen. Et prisme brukes vanligvis til å dele en enkelt lysstråle og sende hver farge i en annen retning, men vi kan bruke den omvendt og med nøye justering bruke prismen for å kombinere lyset fra to lasere til en enkelt stråle.

Lyset fra to forskjellige fargede lasere kombinert med et prisme.  Etter prismen, lyset
Forstørre / Lyset fra to forskjellige fargede lasere kombinert med et prisme. Etter prismen “slår” lyset i intensitet.

Miguel Morales plassholderbilde

Hvis vi ser på intensiteten til den kombinerte laserstrålen, vil vi se intensiteten av “beat” av lyset. Selv om lyset fra hver laser var konstant, når strålene kombineres med litt forskjellige farger, svinger den resulterende strålen fra lys til svak. Musikere vil gjenkjenne dette når de stiller inn instrumentene sine. Når lyden av en stemmegaffel kombineres med lyden av en litt ut av melodi streng, kan “beats” høres når lyden svinger mellom høyt og mykt. Beathastighet er forskjellen i frekvenser, og strengen innstilles ved å sette beathastigheten til null (null forskjell i frekvens). Her ser vi det samme med lys: pulsfrekvensen er forskjellen i farge mellom laserne.

READ  Baby-tyrannosaurer var på størrelse med en hund, viser ny studie

Selv om dette er fornuftig når du tenker på instrumentstrenger, er det ganske overraskende når du tenker på fotoner. Vi startet med to konstante lysstrømmer, men nå er lyset gruppert sammen til tider når det er sterkt og til tider når det er svakt. Når forskjellen mellom fargene på laserne øker (går ut av innstillingen), jo raskere blir pulsen.

Paintballs i tide

Så hva skjer hvis vi senker laserne veldig lavt igjen? Igjen ser vi at fotonene treffer detektoren vår en om gangen som små malingkuler. Men hvis vi ser nøye på øyeblikket når fotonene ankommer, ser vi at det ikke er tilfeldig: de kommer i tide med beats. Det spiller ingen rolle hvor lav vi setter laserne (fotoner kan være så sjeldne at bare en vises hver 100 slag), men de vil alltid komme frem i tide med slagene.

Dette mønsteret er enda mer interessant hvis vi sammenligner ankomsttidene til fotonene i dette eksperimentet med stripene vi så med laserpekeren vår i forrige uke. En måte å forstå hva som skjer i to-spalteeksperimentet, er å forestille seg bølgenaturen til kvantemekanikken som styrer hvor fotoner kan lande fra side til side: paintballs kan treffe de lyse områdene og ikke de mørke områdene . Vi ser et lignende mønster i paintballens ankomst i den tofargede strålen, men nå går paintballene frem og tilbake i tid og kan bare slå i tide med slagene. Rytmene kan betraktes som striper i tide.