A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 2: Caldeirão de Partículas

Bem-vindo de volta à nossa segunda visita guiada à Selva Mecânica Quantum! Nós vimos na semana passada Como as partículas se movem como ondas e atingem como partículas E como uma única partícula percorre caminhos múltiplos. Embora surpreendente, esta é uma área bem explorada da mecânica quântica – ela fica no caminho natural pavimentado ao redor do centro de visitantes.

Esta semana, gostaria de sair da trilha pavimentada e mergulhar um pouco mais fundo na floresta para falar sobre como as partículas se fundem e se juntam em movimento. Este é um assunto normalmente reservado para os alunos de Física; Raramente é discutido em artigos populares. Mas a recompensa é entender como funciona o micro-lidar e conhecer uma das grandes invenções do laboratório, o pente óptico. Então, vamos sujar um pouco as nossas botas de caminhada (manga) – vai valer a pena.

Jesseman

Vamos começar com uma pergunta: se as partículas se movem como ondas, o que acontece quando os caminhos de duas partículas se sobrepõem? Ou, diga de outra forma, as ondas de partículas apenas interagem com elas mesmas ou se misturam?

Podemos testar isso no laboratório ajustando a configuração que usamos na semana passada. Em vez de dividir a luz de um único laser em dois caminhos, podemos usar dois lasers separados para criar a luz que entra no espelho meio prateado final.

Precisamos ter cuidado com os lasers que usamos, e a qualidade do seu apontador laser não está mais à altura da tarefa. Se você medir cuidadosamente a luz de um laser regular, a cor da luz e a fase da onda (quando as cristas da onda ocorrem) se dispersam. Esta fuga de cor está turva para nossos olhos – o laser ainda parece vermelho – mas o tom exato de vermelho varia. Este é um problema que dinheiro e novas tecnologias podem resolver – se gastarmos dinheiro suficiente, podemos comprar um laser de posição fechada de precisão. Graças a eles, podemos ter dois lasers que emitem fótons da mesma cor com picos de onda equilibrados no tempo.

Quando combinamos a luz de dois lasers de alta qualidade, vemos exatamente o mesmo padrão de faixa que vimos antes. Ondas de partículas produzidas por dois lasers diferentes interagem!

Então, o que acontece se voltarmos ao limite de um único fóton? Podemos diminuir a intensidade dos dois lasers para ver os fótons aparecendo um após o outro na tela, como pequenas bolas de tinta. Se a taxa for baixa o suficiente, apenas um fóton estará presente entre o laser e a tela por vez. Quando fizermos este experimento, veremos os fótons chegarem à tela um por um. Mas quando olhamos para a saliência do placar, veremos as mesmas linhas que vimos na semana passada. Mais uma vez, vemos uma única interferência da partícula.

Acontece que todos os experimentos que fizemos antes deram exatamente a mesma resposta. A natureza não se importa se uma partícula está interagindo consigo mesma ou se duas partículas interagem uma com a outra – uma onda é uma onda e as ondas de partícula agem como qualquer outra.

Mas agora que temos dois tipos de lasers de precisão, temos uma série de novos experimentos que podemos tentar.

Duas cores

Primeiro, vamos tentar interferir com fótons de cores diferentes. Vamos pegar a cor de um dos lasers e torná-lo um pouco mais azul (comprimento de onda menor). Quando olhamos para a tela, vemos linhas novamente, mas agora as linhas lentamente vão para os lados. Tanto a aparência quanto o movimento das linhas são interessantes.

Primeiro, o fato de vermos linhas indica que partículas de diferentes energias ainda estão interagindo.

A segunda observação é que o padrão planejado agora depende do tempo; As listras caminham para o lado. Como tornamos a diferença de cor entre os lasers maior, a velocidade das linhas aumenta. Os músicos na platéia já reconhecerão o padrão de rebatidas que estamos vendo, mas antes de chegarmos à explicação, vamos ajustar nossa configuração experimental.

Se estivermos satisfeitos com o uso de lasers estreitos, podemos usar um prisma para incorporar feixes de luz. Normalmente, um prisma é usado para dividir um único feixe de luz e enviar cada cor em uma direção diferente, mas podemos usá-lo para trás e com alinhamento preciso, usar um prisma para combinar a luz de dois lasers em um feixe.

Se olharmos para a intensidade do feixe de laser embutido, veremos a intensidade da luz “pulsante”. Enquanto a luz emitida por cada laser era constante, quando seus feixes de cores ligeiramente diferentes se fundiam, o feixe resultante oscilava de brilhante a fraco. Os músicos aprenderão sobre isso afinando seus instrumentos. Quando o som de um diapasão é combinado com o som de uma corda ligeiramente desarmônica, pode-se ouvir “pulsos” à medida que o som oscila entre alto e baixo. A velocidade do pulso é a diferença nas frequências, e o acorde é ajustado definindo a velocidade do pulso para zero (diferença de frequência zero). Aqui, vemos o mesmo com a luz – a frequência do pulso é a diferença de cor entre os lasers.

Embora isso faça sentido quando se pensa nas cordas de uma máquina, é surpreendente quando se pensa em fótons. Começamos com dois fluxos constantes de luz, mas agora a luz se agrega nos momentos em que está claro e nos momentos em que está escuro. Como a diferença entre as cores dos lasers fica maior (desajustada), mais rápido o pulso se torna.

Paintballs na hora certa

Então, o que acontecerá se baixarmos novamente o laser realmente baixo? Mais uma vez, vemos fótons atingindo nosso detector um por um, como pequenas bolas de tinta. Mas se olharmos cuidadosamente para o momento da chegada dos fótons, descobriremos que eles não são aleatórios – eles chegam no tempo com os pulsos. Não importa o quanto baixemos o laser – os fótons podem ser tão raros que aparecem apenas uma vez a cada 100 pulsos – mas eles sempre chegarão no tempo com os sinos.

Esse padrão é mais interessante se compararmos o tempo de chegada dos fótons neste experimento com as linhas que vimos com nosso apontador laser na semana passada. Uma maneira de entender o que acontece no experimento de duas fendas é visualizar a natureza ondulatória da mecânica quântica que se move enquanto os fótons podem pousar lado a lado: as bolas de tinta podem acertar em áreas claras em vez de em áreas escuras. Vemos um padrão semelhante na chegada de bolas de tinta no pacote de dois tons, mas agora as bolas são direcionadas para frente e para trás no momento certo e só podem acertar no tempo com as batidas. As batidas podem ser consideradas como sequências no tempo.