A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 5: Prinderea unui val

Aurick Lawson / Getty Images

Una dintre cele mai liniștite revoluții Din secolul nostru actual, mecanica cuantică a intrat în tehnologia noastră de zi cu zi. Efectele cuantice se limitau la laboratoarele de fizică și experimentele microscopice. Dar tehnologia modernă se bazează din ce în ce mai mult pe mecanica cuantică pentru procesele sale fundamentale, iar efectele cuantice vor crește din ce în ce mai mult în deceniile următoare. Ca atare, fizicianul Miguel F. Morales și-a asumat sarcina dificilă de a explica mecanica cuantică oamenilor obișnuiți în această serie din șapte părți (Vă promitem că nu vom avea matematică). Mai jos este a cincea poveste din serie, dar o puteți găsi oricând Povestea de început mai mult decât Pagina de destinație pentru întreaga serie de până acum Activ.

Cântat la rândurile mănăstirii înMaria“din sunetul muzicii:

“Cum prindeți un val ca Maria? Cum țineți un nor și îl țineți în loc? Oh, cum rezolvați o particulă ca Maria? Cum țineți raza de lună în mână?”

Până în prezent, în călătoriile noastre exploratorii în sălbătura cuantică, am văzut atât pământ, cât și particule libere. Dar majoritatea particulelor își petrec viața în condiții mai restrânse: electroni prinși în brațele nucleelor, atomi legați în molecule sau liniile ordonate de cristale. Închiderea nu este neapărat rea – doar corzile legate strâns de un instrument muzical pot face muzică.

În drumeția noastră de astăzi în pădurile mecanicii cuantice, vom purta câteva capcane, astfel încât să putem vedea cum se comportă particulele atunci când sunt prinse. (Deoarece speciile sunt delicate, le vom trata cu amabilitate și le vom concedia atunci când vom termina.) În acest proces, vom explora originea spectrelor de emisie de la stele și vom întâlni atomi artificiali și puncte cuantice, care joacă roluri de pionierat în totul, de la calculul cuantic la televiziunea de consum.

READ  Albinele nu dorm suficient datorită unor insecticide comune

De ce cântă pasărea în cușcă

După cum am văzut de multe ori, toate particulele se mișcă ca undele. Dar ce se întâmplă când prindem un val? Cum se schimbă comportamentul unei particule atunci când o blocăm?

Un exemplu extraordinar de zi cu zi de undă prinsă este acordul de chitară. Înainte de a fi atașat la chitară, coarda poate vibra în orice mod. Valuri rapide, valuri lente – orice tip de val este posibil. Dar când prindem și smulgem coarda de o chitară, unda rezultată este prinsă de capetele de conectare ale chitarei. Valul poate sări între capete, dar nu poate scăpa.

Valuri prinse de o coardă de chitară.  În sensul acelor de ceasornic, din stânga sus este armonica primară, a doua armonică și a treia armonică cu lanț deschis.  Sunt permise doar undele care se potrivesc exact în capcană, iar frecvența crescută este asociată cu o energie mai mare (pas mai mare).  De asemenea, putem scurta capcana folosind unul dintre tastele de chitară, care schimbă frecvența fundamentală (în stânga jos) și toate armonicele.
A mari / Valuri prinse de o coardă de chitară. În sensul acelor de ceasornic, din stânga sus este armonica primară, a doua armonică și a treia armonică cu lanț deschis. Sunt permise doar undele care se potrivesc exact în capcană, iar frecvența crescută este asociată cu o energie mai mare (pas mai mare). De asemenea, putem scurta capcana folosind unul dintre tastele de chitară, care schimbă frecvența fundamentală (în stânga jos) și toate armonicele.

Fotografia lui Miguel Morales

Așa cum se arată în graficul de mai sus, sunt permise unele combinații de unde (armonice), dar sunt posibile doar unde cu lungimea corectă. Când valul ne-a înconjurat, am trecut de la orice observație posibilă la o stare în care puteau exista doar acele valuri care se potriveau în capcană – și observațiile care îi corespundeau. Cu alte cuvinte, tonurile acordurilor de chitară sunt cauzează Capcană. Și când punem un deget pe freturi pentru a schimba dimensiunea capcanei, dimensiunea undelor care se potrivesc acesteia se schimbă, iar notele pe care le auzim se schimbă.

READ  Ascunderea dublă poate deveni dificilă. Iată o modalitate ușoară de a face acest lucru corect.

Putem vedea același lucru care se întâmplă și cu electronii. În 1993, Don Eagler și colegii săi au creat o capcană electronică prin plasarea a 48 de atomi de fier într-un inel peste o placă de cupru. Inelul din atomi de fier creează un adăpost cuantic – o capcană electronică circulară. Când se realizează imagini cu un microscop de scanare cu tunel, unda electronică prinsă poate fi văzută clar în interiorul inelului de atomi de fier.

Un coral circular format din 48 de atomi de fier (vârfuri ascuțite) pe o placă de cupru.  Unda unui electron prins în interiorul pliului poate fi văzută clar.
A mari / Un coral circular format din 48 de atomi de fier (vârfuri ascuțite) pe o placă de cupru. Unda unui electron prins în interiorul pliului poate fi văzută clar.

Deoarece particulele se mișcă ca undele, ele răspund la fel ca orice alt tip de undă atunci când sunt detectate – cântă o notă muzicală specifică. Electronul din camera cuantică este similar cu vibrațiile capului de tambur. Acest lucru nu este întâmplător: cilindrul creează, de asemenea, o capcană circulară pentru valuri similare cu camera cuantică. Observația că particulele cuantice captează anumite observații atunci când sunt prinse este un rezultat al mișcării ca undele. Deci, prin captarea undelor de particule, putem face muzică.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *