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Un curioso manual del observador de mecánica cuántica, Pt. 6: Dos fantasmas cuánticos

Aurick Lawson / Getty Images

Una de las revoluciones más silenciosas Desde nuestro siglo actual, la mecánica cuántica ha entrado en nuestra tecnología cotidiana. Los efectos cuánticos solían estar confinados a los laboratorios de física y experimentos microscópicos. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para sus procesos fundamentales, y los efectos cuánticos aumentarán su importancia en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la ardua tarea de explicar la mecánica cuántica a la gente común en esta serie de siete partes (No les prometemos matemáticas). A continuación se muestra la sexta historia de la serie, pero siempre puedes encontrarla. Historia inicial mas que Página de destino de toda la serie hasta ahora Activo.

Durante nuestras aventuras cuánticas hasta ahora, hemos visto una serie de efectos cuánticos interesantes. Entonces, en nuestro último viaje importante, profundicemos en un rincón particularmente aterrador de la madera cuántica: hoy, veremos enredo Y el Orden de medida.

Juntos, estos dos conceptos crean algunos de los efectos más contradictorios en la mecánica cuántica. Es tan contradictorio que este es quizás el momento de reafirmar que no hay nada en esta serie, supongo: todo lo que hemos visto está respaldado por cientos de notas. A veces, el mundo es más extraño de lo que esperamos.

Siempre he considerado que el mundo de los espías y el espionaje es extraño y aterrador, por lo que podría ser apropiado que el cifrado sea una aplicación de lo que estamos hablando hoy. Pero hay mucho más por recorrer antes de que lleguemos allí.

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Jugando bajo el sol

Después de un largo paseo por un bosque cada vez más oscuro y desolado, con árboles áridos salpicando enredaderas, salimos inesperadamente a un prado que brilla bajo la brillante luz del sol. Siempre que parpadea a la luz, nos ponemos nuestras gafas de sol polarizadas.

Las lentes de las gafas de sol polarizadas están polarizadas en orientación vertical, lo que significa que cuando se usan de forma natural, permitirán que la luz polarizada pase verticalmente, pero bloquearán por completo la luz polarizada horizontalmente. Esto es útil porque la luz brillante del agua a menudo está polarizada horizontalmente; La lente que solo permite la luz polarizada verticalmente al reducir en gran medida el deslumbramiento reflejado.

Siendo un poco escépticos sobre la hermosa luz del sol en nuestro misterioso vidrio, comenzamos a mirar a través de varios pares de gafas de sol. Mirar fijamente a través de dos o tres pares de gafas de sol al mismo tiempo te hace parecer tonto, pero estos son los sacrificios que hacemos por el bien de la ciencia. Dibujaremos un diagrama de los resultados que podrías ver, pero si puedes juntar tres pares de gafas de sol polarizadas, puedes hacer todos los experimentos de este artículo en casa.

Lo que ves al mirar a través de dos gafas de sol polarizadas.  Cada lente polarizada solo permite que la luz polarizada pase en la dirección de la flecha en la sien.  Todas las lentes permitirán que pase la mitad de la luz no polarizada (gris medio).  Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos cristales, la orientación relativa de los cristales es importante.  A la izquierda, ambas lentes permiten el paso de luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa por la primera lente también pasa por la segunda.  Por el contrario, a la derecha, las gafas de la parte trasera se giran para permitir solo la luz polarizada horizontalmente, que está completamente bloqueada por el parabrisas.  Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 grados entre sí, la mitad de la luz que pasa a través del primer par de gafas pasará a través del segundo par (1/2 x 1/2 = 1/4 de la luz de fondo) .
Acercarse / Lo que ves al mirar a través de dos gafas de sol polarizadas. Cada lente polarizada solo permite que la luz polarizada pase en la dirección de la flecha en la sien. Todas las lentes permitirán que pase la mitad de la luz no polarizada (gris medio). Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos cristales, la orientación relativa de los cristales es importante. A la izquierda, ambas lentes permiten el paso de luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa por la primera lente también pasa por la segunda. Por el contrario, a la derecha, las gafas de la parte trasera están giradas para permitir solo el paso de la luz polarizada de forma horizontal, que está completamente bloqueada por el parabrisas. Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 grados entre sí, la mitad de la luz que pasa a través del primer par de gafas pasará a través del segundo par (1/2 x 1/2 = 1/4 de la luz de fondo) .

Foto de Miguel Morales

Si sostiene dos pares de tazas frente a usted y luego gira uno de los pares, notará que la cantidad de luz que pasa a través de ellos varía Significativamente. Cuando las gafas están en un ángulo de 90 grados (por ejemplo, una de ellas se sostiene de forma natural, la otra está de lado) casi no pasa luz. La imagen recopilada a través de las lentes se verá casi completamente negra; para lentes polarizadas realmente buenas, será casi oscura como el cristal. Por el contrario, cuando se sostiene en la misma dirección, deja aproximadamente la misma cantidad de luz que un par de anteojos solo (con buenas lentes polarizantes instaladas en perfecta alineación, esto es absolutamente cierto).

Esto es bastante fácil de entender. Si ambos vasos se sostienen verticalmente, el primer par de vasos solo permite que pase la luz vertical. Dado que el segundo par también permite el paso de la luz vertical, no tiene nada que lo bloquee: toda la luz que ha cruzado el primer par también pasará el segundo. Por el contrario, si mantenemos el primer par de lado de modo que solo pase la luz horizontal y sostenemos el segundo par de forma natural para que bloquee la luz horizontal, entonces no habrá luz que pueda pasar a través de ambos. Juntos, se ven muy oscuros. Y si sostienes las dos tazas en un ángulo de 45 grados entre sí, entonces esto es promedio; La mitad de la luz que pasa por el primer vaso pasa por el segundo.

Solo importa la orientación entre las lentes, no cómo se dirigen en relación con el entorno.
Acercarse / Solo importa la orientación entre las lentes, no cómo se dirigen en relación con el entorno.

Foto de Miguel Morales

Lo que importa es solo el ángulo entre las lentes. Si elegimos una orientación relativa, como una intersección, y giramos las dos lentes juntas, veremos que la opacidad sigue siendo la misma. Las gafas con marco verde de la derecha se sostienen en un ángulo de ± 45 ° con respecto a la vertical, pero como el primer par permite que la luz polarizada pase 45 ° a la izquierda de la vertical, toda la luz está bloqueada.

Todo parece tener sentido. Pero luego recuerdas que se trata de mecánica cuántica, y la siniestra música de la película comienza a sonar de fondo. Agreguemos un tercer par de anteojos. Para ayudar a mantener todas las direcciones rectas, siempre usaremos neumáticos azules para las direcciones horizontal / vertical y neumáticos verdes para las direcciones de ± 45 °.

Comenzando con las lentes cruzadas, agregamos una lente diagonal detrás.
Acercarse / Comenzando con las lentes cruzadas, agregamos una lente diagonal detrás.

Foto de Miguel Morales

Comenzaremos con dos tazas que se cruzan, como se muestra a la izquierda. Luego agregaremos una tercera lente que apunta en un ángulo de 45 grados detrás Los dos ya los tenemos. En un examen más detenido, esto se comporta como esperábamos. Dondequiera que oculte las gafas originales, la luz permanece negra. En ángulos pequeños donde no hay una interferencia completa, la luz pasa a través de la lente en un ángulo de 45 grados y una de las otras lentes y obtenemos el tinte más oscuro que vimos nuevamente en la Figura 1. Si miramos lo nuevo, vemos que el área donde la luz debe pasar a través de todas las lentes Las tres también son negras.

Reorganizar las gafas marca una gran diferencia.
Acercarse / Reorganizar las gafas marca una gran diferencia.

Foto de Miguel Morales

Pero veríamos algo genial si reorganizamos las gafas. Empezamos de nuevo con las gafas en cruz, pero ahora deslizamos la lente en un ángulo de 45 grados. Entre ellos. Cuando hacemos esto, la luz pasa a través de la superposición de las tres lentes. Cuando solo dos lentes se superponen, obtenemos los resultados esperados: negro para cruz y de color para 45 grados relativamente. Pero aunque las lentes delantera y trasera están cruzadas y no dejan pasar la luz, si interfieren con otra lente de polarización media, la luz puede pasar repentinamente.

Es raro. los Arreglo De las gafas es importante. Si está mirando en casa, intente cambiar la disposición de la lente. Si las lentes cruzadas están una al lado de la otra en la pila, entonces casi no pasará luz. Pero si cambia entre marcos azules (horizontal / vertical) y verdes (± 45 grados), pasará algo de luz.