راهنمای کنجکاو مشاهده گر در زمینه مکانیک کوانتوم ، pt. 2: قابلمه ذوب ذره


یکی از آرام ترین انقلاب ها قرن حاضر ما ورود مکانیک کوانتوم به فن آوری های روزمره است. پیش از این ، اثرات کوانتومی محدود به آزمایشگاه های فیزیکی و آزمایش های ظریف بود. اما فناوری مدرن برای کارهای اصلی خود به طور فزاینده ای به مکانیک کوانتوم متکی است و اهمیت اثرات کوانتومی تنها در دهه های آینده رشد خواهد کرد. بدین ترتیب ، میگول اف. مورالس ، فیزیکدان ، وظیفه هرکول را در توضیح مکانیک کوانتوم بقیه افراد غیر روحانی در این مجموعه هفت قسمتی بر عهده گرفته است (بدون ریاضیات، ما قول می دهیم). در زیر داستان دوم این مجموعه وجود دارد ، اما شما همیشه می توانید داستان آغازین را در اینجا پیدا کنید.

به دومین تور راهنمای ما در جنگل های مکانیکی کوانتوم خوش آمدید! هفته گذشته دیدیم که چگونه ذرات مانند امواج حرکت می کنند و مانند ذرات برخورد می کنند و چگونه یک ذره از بسیاری جهات حرکت می کند. با کمال تعجب ، این یک رشته مکانیکی کوانتومی است که به خوبی مطالعه شده است – این مسیر در مسیر طبیعی آسفالته اطراف مرکز بازدید کننده قرار دارد.

این هفته ، من می خواهم از مسیر آسفالت پیاده شوم و کمی بیشتر به جنگل بروم و در مورد چگونگی ذوب شدن و ترکیب ذرات در حین حرکت صحبت کنم. این موضوعی است که معمولاً مختص رشته های فیزیک است. به ندرت در مقالات محبوب مورد بحث قرار می گیرد. اما مزیت این است که بفهمید چطور لیدار دقیق کار می کند و دیدن یکی از بزرگترین اختراعاتی که از آزمایشگاه ایجاد می کند ، یعنی شانه نوری. بنابراین بیایید چکمه های پیاده روی (کوانتومی) خود را کمی کثیف کنیم – ارزش آن را خواهد داشت.

دو ذره

بیایید با یک سوال شروع کنیم: اگر ذرات مانند امواج حرکت می کنند ، وقتی مسیر دو ذره را همپوشانی کنم چه اتفاقی می افتد؟ به عبارت دیگر ، آیا امواج ذرات فقط با خودشان تعامل دارند یا اینکه با هم مخلوط می شوند؟

در سمت چپ تداخل سنج هفته گذشته قرار دارد ، جایی که ذره ای از آینه اول جدا شده و دو مسیر کاملاً متفاوت را طی می کند.  در سمت راست تنظیم جدید ما قرار دارد ، جایی که ما با ذرات دو لیزر مختلف شروع می کنیم و آنها را ترکیب می کنیم.
بزرگنمایی / در سمت چپ تداخل سنج هفته گذشته قرار دارد ، جایی که ذره ای از آینه اول جدا شده و دو مسیر کاملاً متفاوت را طی می کند. در سمت راست تنظیم جدید ما قرار دارد ، جایی که ما با ذرات دو لیزر مختلف شروع می کنیم و آنها را ترکیب می کنیم.

تصویر میگل مورالس از یک تانک

ما می توانیم این مورد را در آزمایشگاه با تغییر تنظیماتی که هفته گذشته استفاده کردیم ، آزمایش کنیم. به جای تقسیم نور از یک لیزر به دو مسیر ، می توانیم از دو لیزر جداگانه برای ایجاد نور وارد شده در آخرین آینه نیمه نقره ای استفاده کنیم.

ما باید مراقب لیزرهایی باشیم که استفاده می کنیم و کیفیت نشانگر لیزری شما دیگر جوابگوی کار نیست. اگر نور را با دقت از لیزر معمولی اندازه بگیرید ، رنگ نور و فاز موج (وقتی اوج قله ها اتفاق می افتد) در اطراف پرسه می زنند. این رنگ با چشم ما تفاوتی ندارد – لیزر هنوز قرمز به نظر می رسد ، اما مشخص می شود که سایه دقیق قرمز متفاوت است. این مشکلی است که پول و فناوری مدرن می توانند آن را برطرف کنند – اگر پول کافی صرف کنیم ، می توانیم لیزرها را با حالت دقیق خریداری کنیم. با تشکر از آنها می توانیم دو لیزر داشته باشیم که هر دو فوتون های یکرنگ با تاج امواج در یک زمان تراز می کنند.

وقتی نور دو لیزر با کیفیت را با هم ترکیب می کنیم ، دقیقاً همان الگوی راه راه قبلی را می بینیم. امواج ذره ای تولید شده توسط دو لیزر مختلف برهم کنش دارند!

بنابراین اگر دوباره به مرز یک فوتون برویم چه اتفاقی می افتد؟ می توانیم شدت دو لیزر را آنقدر کم کنیم که ببینیم فوتون ها مانند توپ های کوچک یکی یکی روی صفحه ظاهر می شوند. اگر سرعت به اندازه کافی کم باشد ، هر بار فقط یک فوتون بین لیزرها و صفحه نمایش وجود دارد. هنگامی که این آزمایش را انجام می دهیم ، خواهیم دید که فوتون ها یکی یکی به صفحه می رسند. اما وقتی به تصویر جمع شده از پوینتیلیسم نگاه می کنیم ، همان نوارهایی را می بینیم که هفته گذشته مشاهده کردیم. بار دیگر شاهد تداخل در ذرات منفرد هستیم.

به نظر می رسد که تمام آزمایشاتی که قبلاً انجام داده ایم ، دقیقاً همان جواب را می دهند. طبیعت اهمیتی نمی دهد که آیا یک ذره با خودش برهم کنش دارد یا دو ذره با یکدیگر تعامل دارند – موج موج است و امواج ذرات دقیقاً مانند هر موج دیگر عمل می کنند.

اما اکنون که دو لیزر دقیق داریم ، تعدادی آزمایش جدید داریم که می توانیم آنها را امتحان کنیم.

دو رنگ

اول ، بیایید سعی کنیم فوتون هایی با رنگ های مختلف را با هم تداخل کنیم. بیایید رنگ یکی از لیزرها را بگیریم و کمی آبی (طول موج کوتاه تر) کنیم. وقتی به صفحه نگاه می کنیم ، دوباره راه راه می بینیم ، اما اکنون نوارها به آرامی به کناره می روند. هم شکل راه راه و هم حرکت آنها جالب است.

اول ، این واقعیت که ما راه راه ها را می بینیم نشان می دهد که ذرات با انرژی های مختلف هنوز در تعامل هستند.

مشاهدات دوم این است که الگوی راه راه اکنون به زمان بستگی دارد. راه راه ها به پهلو راه می روند. با افزایش اختلاف رنگ بین لیزرها ، سرعت باند ها افزایش می یابد. نوازندگان حاضر در مخاطب اکنون ضرب و شتمی را که مشاهده می کنیم تشخیص خواهند داد ، اما قبل از اینکه به توضیحات بپردازیم ، بیایید تنظیمات آزمایشی خود را بهبود ببخشیم.

اگر ما به استفاده از پرتوهای باریک لیزر بسنده کنیم ، می توانیم از منشور برای ترکیب شارهای نور استفاده کنیم. از منشور معمولاً برای تقسیم یک پرتوی نور و ارسال هر رنگ به جهتی متفاوت استفاده می شود ، اما می توانیم از آن به عقب استفاده کنیم و با تراز دقیق ، از منشور برای ترکیب نور دو لیزر به یک پرتو استفاده کنیم.

نور دو لیزر با رنگهای مختلف در ترکیب با منشور.  بعد از منشور ، شدت نور
بزرگنمایی / نور دو لیزر با رنگهای مختلف در ترکیب با منشور. بعد از منشور ، شدت نور “می زند”.

تصویر میگل مورالس از یک تانک

اگر به شدت پرتوی لیزر ترکیبی نگاه کنیم ، شدت “ضربان” نور را خواهیم دید. در حالیکه نور هر لیزر پایدار بود ، هنگامی که پرتوهای آنها با رنگهای کمی متفاوت ترکیب می شوند ، پرتو حاصل از روشن تا کم نور است. نوازندگان با تنظیم سازهای خود این موضوع را تشخیص می دهند. وقتی صدای چنگال تنظیم با صدای یک رشته کمی غیر استاندارد ترکیب می شود ، هنگام نوسان صدا بین بلند و بی صدا ، “ضربات” شنیده می شود. سرعت ضربان تفاوت فرکانس ها است و رشته با تنظیم سرعت ضربان به صفر تنظیم می شود (اختلاف فرکانس صفر). در اینجا ما همین مورد را با نور می بینیم – فرکانس ضربه ها تفاوت رنگ بین لیزرها است.

اگرچه وقتی به رشته های ساز فکر می کنید این منطقی است ، اما وقتی به فوتون فکر می کنید کاملاً تعجب آور است. ما با دو جریان ثابت نور شروع کردیم ، اما اکنون نور در مواقعی که روشن است و در مواقعی که کم نور است ، گروه بندی می شود. با افزایش اختلاف رنگ بین لیزرها (تنظیم می شوند) ، ضربان قلب سریعتر است.

پینت بال به موقع

بنابراین اگر دوباره لیزرها را خیلی کم کم کنیم چه اتفاقی می افتد؟ باز هم می بینیم که فوتون ها مانند توپ های کوچک رنگ ، یکی یکی به ردیاب ما برخورد می کنند. اما اگر به زمان رسیدن فوتون ها دقت کنیم ، می بینیم که این اتفاقی نیست – آنها با ضربه به موقع می رسند. مهم نیست که ما چقدر لیزر را کم می کنیم – فوتون ها می توانند به قدری نادر باشند که از هر 100 ضربه فقط یک مورد را نشان دهند – اما آنها همیشه با ضربه به موقع می رسند.

این مدل حتی اگر زمان رسیدن فوتون ها را در این آزمایش با باندهایی که هفته گذشته با اشاره گر لیزر دیدیم مقایسه کنیم ، جالب تر است. یک روش برای درک آنچه در یک آزمایش دو شکاف اتفاق می افتد ، تصور ماهیت موج مکانیک کوانتومی است که در آن مکان فوتون ها می توانند در کنار یکدیگر قرار بگیرند: توپ های رنگی می توانند به مناطق روشن برخورد کنند ، نه به مناطق تاریک. الگوی مشابهی را هنگام ورود پینت بال به پرتو دو رنگ مشاهده می کنیم ، اما اکنون پینت بال ها به موقع به عقب و جلو حرکت می کنند و فقط می توانند به موقع با مشت بزنند. ضربات را می توان به صورت راه راه در زمان درک کرد.


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*