دليل المراقب الفضولي لميكانيكا الكم ، pt. 3: نظارات وردية اللون

حتى الآن ، رأينا الجسيمات تتحرك مثل الأمواج وتعلمنا أن جسيمًا واحدًا يمكن أن يأخذ مسارات متعددة ومتباعدة على نطاق واسع. هناك عدد من الأسئلة التي تنشأ بشكل طبيعي من هذا السلوك ، أحدها “ما حجم الجسيم؟” الجواب دقيق بشكل ملحوظ ، وخلال الأسبوعين المقبلين (والمقالات) سنستكشف جوانب مختلفة من هذا السؤال.

سنبدأ اليوم بسؤال بسيط ظاهريًا: “كيف طويل هو جسيم؟ “

ذهاب لفتره طويلة

للإجابة على هذا ، علينا التفكير في تجربة جديدة. في السابق ، أرسلنا فوتونًا على مسارين مختلفين تمامًا. بينما تم فصل المسارات على نطاق واسع في هذه التجربة ، كانت أطوالها متماثلة: كل منها تدور حول جانبي المستطيل. يمكننا تحسين هذا الإعداد بإضافة عدد قليل من المرايا ، مما يسمح لنا بتغيير طول أحد المسارات تدريجيًا.

عندما تكون المسارات بنفس الطول ، نرى خطوطًا كما فعلنا في المقالة الأولى. ولكن بينما نقوم بإطالة أو تقصير أحد المسارات ، تتلاشى الخطوط ببطء. هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها خطوط تختفي ببطء ؛ في أمثلةنا السابقة ، كانت الخطوط موجودة أم لا.

يمكننا ربط تلاشي الخطوط هذا مبدئيًا عندما نغير طول المسار بـ الطول من الفوتون يسافر في الطريق. تظهر الخطوط فقط إذا تداخلت موجات الفوتون عند إعادة تجميعها.

ولكن إذا كانت الجسيمات تنتقل على شكل موجات ، فماذا نعني بالطول؟ قد تكون الصورة الذهنية المفيدة هي إلقاء حصاة في بركة من المياه العذبة. تنتشر التموجات الناتجة في جميع الاتجاهات على شكل مجموعة من الحلقات. إذا قمت برسم خط من حيث سقطت الصخرة من خلال الحلقات ، ستجد أن هناك خمسة إلى 10. بمعنى آخر ، هناك سمك لحلقة الأمواج.

طريقة أخرى للنظر إليه هي كما لو كنا سدادة فوق الماء ؛ لن نشعر بأي أمواج ، فترة أمواج ، ثم الماء العسر مرة أخرى بعد مرور التموج. يمكننا أن نقول أن “طول” التموج هو المسافة / الوقت الذي واجهنا فيه الموجات.

وبالمثل ، يمكننا أن نفكر في فوتون متنقل على أنه مجموعة من التموجات ، كتلة من الموجات تدخل تجربتنا. تنقسم الموجات بشكل طبيعي وتنتقل في كلا المسارين ، لكن لا يمكن إعادة توحيدهما إلا إذا كان طولا المسارين قريبين بدرجة كافية حتى تتفاعل التموجات عندما تجتمع معًا. إذا كانت المسارات مختلفة جدًا ، فستكون مجموعة من التموجات قد مرت بالفعل قبل وصول الأخرى.

هذه الصورة هي تفسير جيد لسبب تلاشي الخطوط ببطء: فهي قوية عندما يكون هناك تداخل تام ، ولكنها تتلاشى مع انخفاض التداخل. بقياس مدى اختفاء الخطوط ، قمنا بقياس طول التموجات في الجسيم.

نقب في درج المصباح

يمكننا أن نمر بتجاربنا المعتادة ونرى نفس الخصائص التي رأيناها من قبل: خفض معدل الفوتون (الذي ينتج تنقيط كرات الطلاء للخطوط) ، وتغيير اللون (الألوان الزرقاء تعني تباعدًا أكثر إحكامًا) ، إلخ قياس سلوك النطاقات عندما نضبط طول المسار.

بينما نستخدم الليزر في كثير من الأحيان لتوليد جزيئات الضوء (وهي عبارة عن قاذفات نقطية فوتونية رائعة) ، فإن أي نوع من الضوء سيفي بالغرض: مصباح ساطع ، مصباح LED ، ضوء نيون أضواء الشوارع الصوديوم ، ضوء النجوم ، يمر الضوء من خلال المرشحات الملونة. بغض النظر عن نوع الضوء الذي نرسله ، قم بإنشاء خطوط عندما تتطابق أطوال المسار. لكن الخطوط تتلاشى على مسافات تتراوح من ميكرون للضوء الأبيض إلى مئات الكيلومترات لأعلى جودة ليزر.

تميل مصادر الضوء ذات الألوان المميزة إلى أن يكون لها أطول تموجات. يمكننا دراسة خصائص الألوان لمصادر الضوء لدينا عن طريق إرسال ضوءها عبر منشور. تحتوي بعض مصادر الضوء على سلسلة لونية ضيقة جدًا (ضوء الليزر ، ضوء النيون ، ضوء شارع الصوديوم) ؛ بعضها يحتوي على قوس قزح كبير من الألوان (المصباح المتوهج ، مصباح الإضاءة LED ، ضوء النجوم) ؛ بينما البعض الآخر مثل ضوء الشمس المرسل من خلال مرشح الألوان يكون وسيطًا في نطاق الألوان المركبة.

ما نلاحظه هو أن هناك ارتباطًا: كلما كان التدرج اللوني لمصدر الضوء أضيق ، كلما كان اختلاف المسار أطول قبل أن تختفي الخطوط. اللون نفسه لا يهم. إذا اخترت مرشحًا أحمر وفلترًا أزرق يمرران نفس عرض الألوان ، فستختفي خطوطهما عند اختلاف المسار نفسه. إنه ال فترة اللون الذي يهم ، وليس متوسط ​​اللون.

وهو ما يقودنا إلى نتيجة مفاجئة إلى حد ما: يتم تحديد طول موجة الجسيمات من خلال نطاق الألوان (وبالتالي الطاقات) الموجودة تحت تصرفها. الطول ليس قيمة محددة لنوع معين من الجسيمات. من خلال البحث في درج مصادر الضوء ، أنتجنا فوتونات بأطوال تتراوح من ميكرونات (ضوء أبيض) إلى بضعة سنتيمترات (مؤشر ليزر).