Manual de mecánica cuántica de un observador curioso, pt. 3: gafas de color rosa

Getty Images / Urich Lawson

Una de las revoluciones más silenciosas Desde nuestro siglo actual, la mecánica cuántica ha entrado en nuestra tecnología cotidiana. Los efectos cuánticos solían estar confinados a los laboratorios de física y experimentos microscópicos. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para sus procesos fundamentales, y los efectos cuánticos solo aumentarán en importancia en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la ardua tarea de explicar la mecánica cuántica al resto de las personas normales en esta serie de siete partes (sin las matemáticas, lo prometemos). A continuación se muestra la tercera historia de la serie, pero siempre puedes encontrarla. La historia empieza aqui.

Hasta ahora, hemos visto partículas que se mueven como ondas y hemos aprendido que una sola partícula puede tomar trayectorias múltiples y muy espaciadas. Hay una serie de preguntas que surgen naturalmente de este comportamiento, una de las cuales es: “¿Qué tamaño tiene la partícula?” La respuesta es notablemente precisa, y durante las próximas dos semanas (y artículos) exploraremos varios aspectos de esta pregunta.

Hoy, comenzaremos con una pregunta aparentemente simple: ¿Cómo Largo ¿Es una partícula? “

Yendo por mucho tiempo

Para responder a eso, debemos considerar una nueva experiencia. Anteriormente, enviamos un fotón por dos caminos completamente diferentes. Si bien las pistas estaban ampliamente separadas en ese experimento, sus longitudes eran idénticas: cada una giraba alrededor de dos lados del rectángulo. Podemos mejorar esta configuración agregando dos espejos, lo que nos permite cambiar gradualmente la longitud de uno de los caminos.

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Una experiencia mejorada de dos pistas donde podemos ajustar la longitud de un camino.
Acercarse / Una experiencia mejorada de dos pistas donde podemos ajustar la longitud de un camino.

Foto de Miguel Morales

Cuando las rutas tienen la misma longitud, vemos líneas como en el primer artículo. Pero cuando hacemos un camino más largo o más corto, las líneas se desvanecen lentamente. Esta es la primera vez que vemos rayas que desaparecen lentamente; En nuestros ejemplos anteriores, las líneas estaban presentes o no.

Inicialmente podemos asociar este desvanecimiento con líneas mientras cambiamos la longitud de la ruta a Longitud El Fotón baja por la pista. Las líneas solo aparecen si las ondas de fotones se superponen cuando se vuelven a ensamblar.

Pero si las partículas viajan en ondas, ¿qué entendemos por longitud? Una forma de pensar útil podría ser arrojar una piedra a un charco de agua blanda. Las ondas resultantes se extienden en todas direcciones como un conjunto de bucles. Si dibuja una línea desde donde la roca cayó a través de los bucles, hay de cinco a diez. En otras palabras, hay un engrosamiento del anillo de ondas.

Otra forma de verlo es como si fuéramos corcho sobre agua; No sentiremos olas, un período de olas, luego el agua suave nuevamente después de que haya pasado la onda. Podemos decir que la “longitud” de la ola es la distancia / tiempo que hemos pasado por las olas.

Ondas en el estanque.  Tenga en cuenta el grosor del anillo ondulado.
Acercarse / Ondas en el estanque. Tenga en cuenta el grosor del anillo ondulado.

Roberto Machado Noa / Getty Images

Del mismo modo, podemos pensar en un fotón que viaja como un conjunto de ondas, una masa de ondas que entran en nuestra experiencia. Las olas se separan naturalmente y toman ambos caminos, pero solo pueden reunirse si las longitudes de los dos caminos están lo suficientemente cerca como para que las ondas interactúen cuando se unen. Si los caminos fueran muy diferentes, un conjunto de ondas ya se habría cruzado antes de que llegara el otro.

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Esta imagen explica muy bien por qué las líneas desaparecen lentamente: son poderosas cuando hay una interferencia perfecta, pero se desvanecen a medida que la interferencia disminuye. Midiendo la distancia hasta que las líneas desaparecen, medimos la longitud de onda de las ondas de la partícula.

Perforar a través de una bandeja de bombilla

Podemos repasar nuestras experiencias habituales y ver las mismas características que vimos antes: reducir la tasa de fotones (lo que da como resultado que las bolas de pintura salpiquen las líneas), cambiar de color (los colores azules significan un espaciado más cercano), etc., pero ahora también podemos medir el comportamiento de las líneas al ajustar la longitud de la ruta.

Si bien a menudo usamos láseres para generar partículas de luz (que son eyectores de fotones realmente geniales), cualquier tipo de luz hará el trabajo: lámpara incandescente, lámpara de habitación LED, lámpara de neón, farolas de sodio, luz de estrellas, la luz pasa a través de filtros de color. Independientemente del tipo de luz que enviemos, crea líneas cuando las longitudes del camino coinciden. Pero las líneas se desvanecen a distancias de micrones a luz blanca. Cientos de kilómetros Para láser de la más alta calidad.

Las fuentes de luz con colores distintos tienden a tener las ondas más largas. Podemos investigar las propiedades de color de nuestras fuentes de luz enviando su luz a través de un prisma. Algunas fuentes de luz tienen una gama de colores muy estrecha (luz láser, lámpara de neón, farola de sodio); Algunos de ellos tienen un amplio arco iris de colores (lámpara incandescente, lámpara de habitación LED, luz de las estrellas); Otros, como la luz solar transmitida a través de un filtro de color, son intermedios en la gama de colores compuestos.

Lo que notamos es que existe una correlación: cuanto más estrecho sea el espectro de color de la fuente de luz, mayor será la diferencia de trayectoria antes de que desaparezcan las líneas. El color en sí no importa. Si elige un filtro rojo y un filtro azul que permiten la misma reproducción de color a través de él, sus rayas desaparecerán cuando la misma ruta difiera. Eso Dominio Desde el color que importa, no el color promedio.

Lo que nos lleva a un resultado algo sorprendente: la longitud de onda de una partícula está determinada por la gama de colores (y por lo tanto de energías) que posee. La longitud no es un valor específico para un tipo específico de partícula. Con solo perforar la bandeja de la fuente de luz, creamos fotones en longitudes que van desde micrones (luz blanca) hasta unos pocos centímetros (puntero láser).

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