A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 3: Roze gekleurde bril

Tot dusverre hebben we deeltjes als golven zien bewegen en we hebben geleerd dat een enkel deeltje meerdere, ver uit elkaar geplaatste paden kan nemen. Er zijn een aantal vragen die van nature uit dit gedrag voortkomen – een daarvan is: “Hoe groot is het deeltje?” Het antwoord is opmerkelijk accuraat, en de komende twee weken (en artikelen) zullen we verschillende aspecten van deze vraag onderzoeken.

Vandaag beginnen we met een ogenschijnlijk simpele vraag: hoe Lang Is het een deeltje? “

Gaat voor een lange tijd

Om dat te beantwoorden, moeten we een nieuwe ervaring overwegen. Eerder stuurden we een foton op twee totaal verschillende paden. Hoewel de sporen in dat experiment grotendeels van elkaar waren gescheiden, waren hun lengtes identiek: elk draaide rond twee zijden van de rechthoek. We kunnen deze instelling verbeteren door twee spiegels toe te voegen, waardoor we de lengte van een van de paden geleidelijk kunnen veranderen.

Als de paden dezelfde lengte hebben, zien we lijnen, net als in het eerste artikel. Maar als we een pad langer of korter maken, vervagen de lijnen langzaam. Dit is de eerste keer dat we langzaam verdwijnende strepen zien; In onze vorige voorbeelden waren de lijnen aanwezig of niet.

We kunnen deze fade in eerste instantie associëren met lijnen terwijl we de padlengte wijzigen in Lengte De Photon gaat de baan af. De lijnen verschijnen alleen als de fotonengolven elkaar overlappen wanneer ze opnieuw worden samengesteld.

Maar als deeltjes in golven reizen, wat bedoelen we dan met lengte? Een handige manier van denken zou kunnen zijn om een ​​kiezelsteen in een zachte plas water te gooien. De resulterende rimpelingen worden als een reeks lussen in alle richtingen verspreid. Als je een lijn trekt van waar de steen door de lussen viel, zijn er vijf tot tien. Met andere woorden, er is een verdikking van de golfring.

Een andere manier om ernaar te kijken is alsof we kurk op water zijn; We voelen geen golven, een periode van golven, dan weer het gladde water nadat de rimpel voorbij is. We kunnen zeggen dat de “lengte” van de golf de afstand / tijd is dat we de golven zijn gepasseerd.

Evenzo kunnen we een reizend foton zien als een reeks rimpelingen, een massa golven die onze ervaring binnenkomen. De golven scheiden zich van nature en nemen beide paden over, maar ze kunnen alleen worden herenigd als de lengtes van de twee paden dicht genoeg zijn om de golven te laten samenwerken wanneer ze samen worden gebracht. Als de paden heel anders waren geweest, zou de ene reeks rimpelingen al zijn overgestoken voordat de andere arriveerde.

Deze afbeelding verklaart mooi waarom de lijnen langzaam verdwijnen: ze zijn krachtig als er perfecte interferentie is, maar ze vervagen als de interferentie afneemt. Door de afstand te meten totdat de lijnen verdwijnen, hebben we de golflengte van de rimpelingen van het deeltje gemeten.

Boor door een gloeilampenbak

We kunnen onze gebruikelijke ervaringen doornemen en dezelfde kenmerken zien die we eerder zagen: het verlagen van de fotonfrequentie (wat resulteert in verfballen die op de lijnen stippelen), veranderende kleur (blauwe kleuren betekenen een kleinere afstand), enz. Maar we kunnen nu ook het gedrag van de lijnen meten tijdens het aanpassen Pad lengte.

Hoewel we vaak lasers gebruiken om lichtdeeltjes te genereren (het zijn coole fotonenwerpers), zal elk soort licht het werk doen: gloeilamp, led-kamerlamp, neonlamp, natriumstraatverlichting, sterlicht, licht passeert kleurenfilters . Welk type licht we ook doorlaten, het creëert lijnen wanneer de padlengtes overeenkomen. Maar de lijnen vervagen op afstanden van micron tot wit licht Honderden kilometers Voor laser van de hoogste kwaliteit.

Lichtbronnen met verschillende kleuren hebben meestal de langste rimpelingen. We kunnen de kleureigenschappen van onze lichtbronnen onderzoeken door hun licht door een prisma te sturen. Sommige lichtbronnen hebben een zeer smal kleurenbereik (laserlicht, neonlamp, natriumstraatlantaarn); Sommigen van hen hebben een brede regenboog aan kleuren (gloeilamp, led-kamerlamp, sterrenlicht); Andere, zoals zonlicht dat door een gekleurd filter wordt doorgelaten, bevinden zich tussen het samengestelde kleurenbereik.

Wat we opmerken is dat er een verband is: hoe smaller het kleurenspectrum van de lichtbron, hoe langer het padverschil zal zijn voordat de strepen verdwijnen. De kleur zelf doet er niet toe. Als u een rood filter en een blauw filter kiest die dezelfde kleurweergave erdoorheen laten, zullen hun strepen verdwijnen wanneer hetzelfde pad verschilt. Het Domein Van de kleur die ertoe doet, niet de gemiddelde kleur.

Dat brengt ons tot een ietwat verrassend resultaat: de golflengte van een deeltje wordt bepaald door de reeks kleuren (en dus energieën) die ze bezitten. Lengte is geen specifieke waarde voor een bepaald type deeltje. Door gewoon in de lichtbronbak te boren, hebben we fotonen gemaakt in lengtes van micron (wit licht) tot enkele centimeters (laserpointer).