¡Bienvenido de nuevo a nuestra segunda visita guiada a la jungla mecánica cuántica! Lo vimos la semana pasada Cómo las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas Y cómo una sola partícula toma múltiples caminos. Aunque es sorprendente, esta es un área bien explorada de la mecánica cuántica: se encuentra en el camino pavimentado natural alrededor del centro de visitantes.

Esta semana, me gustaría salir del camino pavimentado y sumergirme un poco más en el bosque para hablar sobre cómo las partículas se fusionan y se juntan en movimiento. Esta es una asignatura generalmente reservada para las carreras de Física; Rara vez se comenta en artículos populares. Pero la recompensa es comprender cómo funciona el micro-lidar y conocer uno de los grandes inventos del laboratorio, el peine óptico. Así que vamos a ensuciar un poco nuestras botas de montaña (de manga), valdrá la pena.

Jesseman

Comencemos con una pregunta: si las partículas se mueven como ondas, ¿qué sucede cuando las trayectorias de dos partículas se superponen? O digamos de otra manera, ¿las ondas de partículas solo interactúan con ellas mismas o se mezclan?

Podemos probar esto en el laboratorio modificando la configuración que usamos la semana pasada. En lugar de dividir la luz de un solo láser en dos trayectorias, podemos usar dos láseres separados para crear la luz que ingresa al espejo final medio plateado.

Debemos tener cuidado con los láseres que utilizamos, y la calidad de su puntero láser ya no está a la altura. Si mide con cuidado la luz de un láser normal, el color de la luz y la fase de la onda (cuando ocurren las crestas de la onda) se desvían. Esta fuga de color se ve borrosa para nuestros ojos, el láser todavía se ve rojo, pero resulta que el tono exacto de rojo varía. Este es un problema que el dinero y la nueva tecnología pueden resolver: si gastamos suficiente dinero, podemos comprar un láser de precisión de posición cerrada. Gracias a estos, podemos tener dos láseres que emiten fotones del mismo color con picos de onda equilibrados en el tiempo.

Cuando combinamos la luz de dos láseres de alta calidad, vemos exactamente el mismo patrón de rayas que vimos antes. ¡Las ondas de partículas producidas por dos láseres diferentes interactúan!

Entonces, ¿qué sucede si volvemos al límite de un solo fotón? Podemos bajar la intensidad de los dos láseres para que veamos aparecer fotones uno tras otro en la pantalla, como pequeñas bolas de pintura. Si la velocidad es lo suficientemente baja, solo habrá un fotón entre el láser y la pantalla a la vez. Cuando ejecutemos este experimento, veremos que los fotones llegan a la pantalla uno por uno. Pero cuando miramos el voladizo del marcador, veremos las mismas líneas que vimos la semana pasada. Una vez más, vemos una única interferencia de la partícula.

Resulta que todos los experimentos que teníamos antes dan exactamente la misma respuesta. A la naturaleza no le importa si una de las partículas está interactuando consigo misma o si hay dos partículas interactuando entre sí: una onda es una onda, y las ondas de partículas actúan como cualquier otra onda.

Pero ahora que tenemos dos tipos de láseres de precisión, tenemos varios experimentos nuevos que podemos probar.

Dos colores

Primero, intentemos interferir con fotones de diferentes colores. Tomemos el color de uno de los láseres y hagámoslo un poco más azul (longitud de onda más corta). Cuando miramos la pantalla, vemos líneas de nuevo, pero ahora las líneas van lentamente hacia los lados. Tanto la apariencia como el movimiento de las líneas son interesantes.

Primero, el hecho de que veamos líneas indica que las partículas de diferente energía todavía están interactuando.

La segunda observación es que el patrón planeado ahora depende del tiempo; Las rayas caminan hacia un lado. Dado que aumentamos la diferencia de color entre los láseres, la velocidad de las líneas aumenta. Los músicos de la audiencia ya reconocerán el patrón de bateo que estamos viendo, pero antes de llegar a la explicación, afinemos nuestra configuración experimental.

Si estamos satisfechos con el uso de láseres estrechos, podemos utilizar un prisma para incorporar corrientes de luz. Por lo general, se usa un prisma para dividir un solo haz de luz y enviar cada color en una dirección diferente, pero podemos usarlo al revés y con una alineación fina, usar un prisma para combinar la luz de dos láseres en un solo haz.

Si miramos la intensidad del rayo láser incorporado, veremos la intensidad de la luz «pulsando». Si bien la luz emitida por cada láser era constante, cuando sus rayos de colores ligeramente diferentes se fusionaban, el rayo resultante oscilaba de brillante a débil. Los músicos aprenderán sobre esto afinando sus instrumentos. Cuando el sonido de un diapasón se combina con el sonido de una cuerda ligeramente discordante, se pueden escuchar «tonos» cuando el sonido oscila entre fuerte y suave. La velocidad del pulso es la diferencia de frecuencias, y el acorde se ajusta estableciendo la velocidad del pulso en cero (diferencia de frecuencia cero). Aquí vemos lo mismo con la luz: la frecuencia del pulso es la diferencia de color entre láseres.

Si bien esto tiene sentido cuando se piensa en las cuerdas de una máquina, es sorprendente cuando se piensa en fotones. Comenzamos con dos corrientes de luz constantes, pero ahora la luz se agrega en momentos en que es brillante y en momentos en que es tenue. Dado que la diferencia entre los colores de los láseres se hace más grande (desajustada), más rápido se vuelve el pulso.

Paintballs justo a tiempo

Entonces, ¿qué pasa si volvemos a bajar el láser realmente bajo? Una vez más, vemos fotones golpeando nuestro detector uno por uno como pequeñas bolas de pintura. Pero si miramos detenidamente el momento de la llegada de los fotones, encontramos que no son aleatorios, llegan a tiempo con los pulsos. No importa cuánto bajemos el láser, los fotones pueden ser tan raros que solo aparecen una vez cada 100 pulsos, pero siempre llegarán a tiempo con las campanas.

Este patrón es más interesante si comparamos el tiempo de llegada de los fotones en este experimento con las líneas que vimos con nuestro puntero láser la semana pasada. Una forma de entender lo que sucede en el experimento de dos rendijas es visualizar la naturaleza ondulatoria de la mecánica cuántica que dirige donde los fotones pueden aterrizar uno al lado del otro: las bolas de pintura pueden impactar en áreas brillantes en lugar de áreas oscuras. Vemos un patrón similar en la llegada de bolas de pintura en el paquete de dos tonos, pero ahora las bolas de pintura se dirigen hacia adelante y hacia atrás en el momento adecuado y solo pueden golpear a tiempo con beats. Los latidos se pueden considerar como rayas en el tiempo.