دليل مراقب فضولي لميكانيكا الكم ، pt. 3: نظارات ملونة وردية

حتى الآن ، رأينا الجسيمات تتحرك كموجات 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 هو ، “ما حجم الجسيم؟” الجواب دقيق بشكل ملحوظ ، وخلال الأسبوعين المقبلين (والمقالات) سنستكشف جوانب مختلفة من هذا السؤال.

اليوم ، سنبدأ بسؤال يبدو بسيطًا: “كيف طويل هل جسيم؟ “

ذهاب لفتره طويلة

للإجابة على ذلك ، نحتاج إلى التفكير في تجربة جديدة. في وقت سابق ، أرسلنا فوتونًا على مسارين مختلفين تمامًا. بينما تم فصل المسارات على نطاق واسع في تلك التجربة ، كانت أطوالها متطابقة: كل منها تدور حول جانبين من المستطيل. يمكننا تحسين هذا الإعداد بإضافة مرآتين ، مما يسمح لنا بتغيير طول أحد المسارات تدريجيًا.

عندما تكون المسارات بنفس الطول ، نرى خطوطًا تمامًا كما فعلنا في المقالة الأولى. ولكن عندما نجعل أحد المسارات أطول أو أقصر ، تتلاشى الخطوط ببطء. هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها خطوط تختفي ببطء ؛ في أمثلةنا السابقة ، كانت الخطوط إما موجودة أم لا.

يمكننا ربط هذا التلاشي للخطوط مبدئيًا أثناء تغيير طول المسار بـ الطول للفوتون يسير في المسار. تظهر الخطوط فقط إذا تداخلت موجات الفوتون عند إعادة تجميعها.

ولكن إذا كانت الجسيمات تنتقل كموجات ، فماذا نعني بالطول؟ قد تكون الصورة الذهنية المفيدة هي إلقاء حصاة في بركة ماء ناعمة. انتشرت التموجات الناتجة في جميع الاتجاهات كمجموعة من الحلقات. إذا قمت برسم خط من حيث سقطت الصخرة خلال الحلقات ، فستجد أن هناك خمسة إلى 10 منها. بمعنى آخر ، هناك سماكة لحلقة الأمواج.

طريقة أخرى للنظر إلى الأمر هي كما لو كنا فلين على الماء ؛ لن نشعر بأي موجات ، أو فترة من الأمواج ، ثم الماء الأملس مرة أخرى بعد مرور التموج. يمكننا أن نقول أن “طول” التموج هو المسافة / الوقت الذي مررنا خلاله بالموجات.

وبالمثل ، يمكننا التفكير في الفوتون المتنقل على أنه مجموعة من التموجات ، كتلة من الموجات تدخل تجربتنا. تنفصل الأمواج بشكل طبيعي وتتخذ كلا المسارين ، لكن لا يمكن إعادة توحيدهما إلا إذا كان طولا المسارين قريبين بدرجة كافية حتى تتفاعل التموجات عند جمعهما معًا. إذا كانت المسارات مختلفة جدًا ، فستكون مجموعة من التموجات قد تجاوزت بالفعل قبل وصول الأخرى.

تشرح هذه الصورة بشكل جيد سبب اختفاء الخطوط ببطء: فهي قوية عندما يكون هناك تداخل مثالي ، ولكنها تتلاشى مع انخفاض التداخل. بقياس المسافة حتى تختفي الخطوط ، قمنا بقياس طول تموجات موجة الجسيم.

حفر من خلال درج المصباح الكهربائي

يمكننا أن نمر بتجاربنا المعتادة ونرى نفس الميزات التي رأيناها من قبل: خفض معدل الفوتون (مما ينتج عنه تنقيط كرات الطلاء من الخطوط) ، وتغيير اللون (الألوان الزرقاء تعني تباعد أقرب) ، وما إلى ذلك ولكن يمكننا الآن أيضًا قم بقياس سلوك الخطوط أثناء تعديل طول المسار.

بينما نستخدم الليزر في كثير من الأحيان لتوليد جزيئات من الضوء (إنها أدوات إطلاق الفوتون الرائعة) ، فإن أي نوع من الضوء سيفي بالغرض: المصباح المتوهج ، مصباح غرفة LED ، مصباح النيون ، أضواء الشوارع الصوديوم ، ضوء النجوم ، يمر الضوء من خلال المرشحات الملونة . أيا كان نوع الضوء الذي نرسله من خلاله ، فإنه يخلق خطوطًا عندما تتطابق أطوال المسار. لكن الخطوط تتلاشى في 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 التحقيق في خصائص الألوان لمصادر الضوء لدينا عن طريق إرسال ضوءها عبر منشور. تحتوي بعض مصادر الضوء على نطاق ضيق جدًا من الألوان (ضوء الليزر ، مصباح النيون ، مصباح الشارع الصوديوم) ؛ بعضها يحتوي على قوس قزح واسع من الألوان (المصباح المتوهج ، مصباح الغرفة LED ، ضوء النجوم) ؛ بينما البعض الآخر مثل أشعة الشمس المرسلة من خلال مرشح ملون تكون وسيطة في نطاق الألوان المركبة.

ما نلاحظه هو أن هناك ارتباطًا: كلما كان نطاق الألوان لمصدر الضوء أضيق ، كلما كان اختلاف المسار أطول قبل أن تختفي الخطوط. اللون نفسه لا يهم. إذا اخترت مرشحًا أحمر وفلترًا أزرق يسمحان بنفس عرض الألوان من خلاله ، فستختفي خطوطهما عند اختلاف المسار نفسه. انها نطاق من اللون الذي يهم ، وليس متوسط ​​اللون.

وهو ما يقودنا إلى نتيجة مذهلة إلى حد ما: يتم تحديد طول موجة الجسيمات من خلال نطاق الألوان (وبالتالي الطاقات) التي تمتلكها. الطول ليس قيمة محددة لنوع معين من الجسيمات. فقط من خلال الحفر في درج مصادر الضوء ، صنعنا فوتونات بأطوال تتراوح من ميكرونات (ضوء أبيض) إلى بضعة سنتيمترات (مؤشر ليزر).