A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 2: Pot Peleburan Partikel

Selamat datang kembali di tur terpandu kedua kami di Quantum Mechanical Jungle! Kami melihatnya minggu lalu Bagaimana partikel bergerak seperti gelombang dan memukul seperti partikel Dan bagaimana sebuah partikel mengambil banyak jalur. Meskipun mengejutkan, ini adalah area mekanika kuantum yang telah dieksplorasi dengan baik – berada di jalur beraspal alami di sekitar pusat pengunjung.

Minggu ini, saya ingin melepaskan jejak beraspal dan menyelam lebih dalam ke dalam hutan untuk membicarakan tentang bagaimana partikel-partikel melebur dan bersatu dalam gerakan. Ini adalah mata pelajaran yang biasanya disediakan untuk jurusan Fisika; Ini jarang dibahas di artikel populer. Tapi hasilnya adalah memahami cara kerja mikro-lidar dan mengenal salah satu penemuan hebat dari lab, sisir optik. Jadi mari kita pergi ke (lengan) sepatu hiking kita sedikit kotor – itu akan sepadan.

Jesseman

Mari kita mulai dengan pertanyaan: Jika partikel bergerak seperti gelombang, apa yang terjadi jika jalur dua partikel tumpang tindih? Atau dengan kata lain, apakah gelombang partikel hanya berinteraksi dengan diri mereka sendiri, atau apakah mereka bercampur?

Kami dapat mengujinya di lab dengan mengubah setelan yang kami gunakan minggu lalu. Alih-alih membagi cahaya dari satu laser menjadi dua jalur, kita dapat menggunakan dua laser terpisah untuk menciptakan cahaya yang masuk ke cermin setengah perak terakhir.

Kami perlu berhati-hati dengan laser yang kami gunakan, dan kualitas penunjuk laser Anda tidak lagi sesuai dengan tugas. Jika Anda mengukur cahaya dengan cermat dari laser biasa, warna cahaya dan fase gelombang (saat puncak gelombang terjadi) akan berkelana. Fugue warna ini diburamkan ke mata kita – lasernya masih terlihat merah – tetapi ternyata warna merah yang tepat bervariasi. Ini adalah masalah yang dapat diselesaikan dengan uang dan teknologi baru – jika kita membelanjakan cukup uang, kita dapat membeli laser posisi tertutup yang presisi. Berkat ini, kita dapat memiliki dua laser yang memancarkan foton dengan warna yang sama dengan puncak gelombang yang seimbang waktu.

Saat kami menggabungkan cahaya dari dua laser berkualitas tinggi, kami melihat pola garis yang sama persis dengan yang kami lihat sebelumnya. Gelombang partikel yang dihasilkan oleh dua laser berbeda berinteraksi!

Jadi apa yang terjadi jika kita beralih lagi ke batas foton tunggal? Kita bisa menurunkan intensitas kedua laser sehingga kita melihat foton muncul satu demi satu di layar, seperti bola cat kecil. Jika kecepatannya cukup rendah, hanya satu foton yang akan muncul di antara laser dan layar pada satu waktu. Saat kita menjalankan percobaan ini, kita akan melihat foton tiba di layar satu per satu. Tapi ketika kita melihat papan skor yang menggantung, kita akan melihat garis yang sama seperti yang kita lihat minggu lalu. Sekali lagi, kita melihat satu interferensi partikel.

Ternyata semua percobaan yang kami lakukan sebelumnya memberikan jawaban yang persis sama. Alam tidak peduli apakah salah satu partikel berinteraksi dengan dirinya sendiri atau jika ada dua partikel yang berinteraksi satu sama lain – gelombang adalah gelombang, dan gelombang partikel bertindak seperti gelombang lainnya.

Tetapi sekarang kami memiliki dua jenis laser presisi, kami memiliki sejumlah eksperimen baru yang dapat kami coba.

Dua warna

Pertama, mari kita coba mengganggu foton dengan warna berbeda. Mari kita ambil warna salah satu laser dan membuatnya sedikit lebih biru (panjang gelombang lebih pendek). Saat kita melihat layar, kita melihat garis lagi, tapi sekarang garis itu perlahan menyamping. Tampilan dan pergerakan garisnya menarik.

Pertama, fakta bahwa kita melihat garis-garis menunjukkan bahwa partikel-partikel dengan energi berbeda masih berinteraksi.

Pengamatan kedua adalah bahwa pola yang direncanakan sekarang bergantung pada waktu; Garis-garis berjalan ke samping. Karena kami membuat perbedaan warna antara laser lebih besar, kecepatan garis meningkat. Musisi di antara penonton akan mengenali pola pukulan yang kita lihat, tetapi sebelum kita mendapatkan penjelasannya, mari kita sesuaikan pengaturan eksperimental kita.

Jika kami puas dengan penggunaan laser sempit, kami dapat menggunakan prisma untuk memasukkan aliran cahaya. Biasanya prisma digunakan untuk membagi satu berkas cahaya dan mengirimkan setiap warna ke arah yang berbeda, tetapi kita dapat menggunakannya secara terbalik dan dengan penyelarasan yang halus, gunakan prisma untuk menggabungkan cahaya dari dua laser menjadi satu berkas.

Jika kita melihat intensitas sinar laser built-in, kita akan melihat intensitas cahaya “berdenyut”. Sementara cahaya yang dipancarkan dari setiap laser konstan, ketika berkas sinar mereka dengan warna yang sedikit berbeda bergabung, berkas yang dihasilkan berosilasi dari terang ke redup. Musisi akan mempelajari hal ini dengan menyetem instrumen mereka. Ketika suara garpu tala dikombinasikan dengan suara senar yang sedikit tidak harmonis, orang dapat mendengar “nada” saat suara berosilasi antara keras dan lembut. Kecepatan pulsa adalah perbedaan frekuensi, dan akord disesuaikan dengan mengatur kecepatan pulsa ke nol (perbedaan frekuensi nol). Di sini kita melihat hal yang sama dengan cahaya – frekuensi pulsa adalah perbedaan warna antara laser.

Meskipun hal ini masuk akal ketika memikirkan tentang string sebuah mesin, hal ini mengejutkan ketika memikirkan tentang foton. Kami mulai dengan dua aliran cahaya konstan, tetapi sekarang cahaya berkumpul pada saat terang dan saat redup. Karena perbedaan antara warna laser menjadi lebih besar (de-tuned), semakin cepat denyutnya.

Paintballs tepat pada waktunya

Jadi apa yang terjadi jika kita kembali menurunkan laser sangat rendah? Sekali lagi kita melihat foton menghantam detektor kita satu per satu seperti bola cat kecil. Tetapi jika kita melihat dengan cermat waktu kedatangan foton, kita menemukan bahwa foton itu tidak acak – mereka tiba tepat waktu dengan pulsa. Tidak peduli seberapa jauh kita menurunkan laser – foton bisa sangat langka sehingga hanya muncul sekali setiap 100 pulsa – tetapi foton akan selalu tiba bersamaan dengan lonceng.

Pola ini lebih menarik jika kita membandingkan waktu kedatangan foton dalam percobaan ini dengan garis yang kita lihat dengan penunjuk laser minggu lalu. Salah satu cara untuk memahami apa yang terjadi dalam eksperimen dua celah adalah dengan memvisualisasikan sifat mirip gelombang dari mekanika kuantum yang mengarahkan tempat foton dapat mendarat berdampingan: Bola cat dapat mengenai area terang daripada di area gelap. Kami melihat pola serupa dalam kedatangan paintballs dalam paket dua warna, tetapi sekarang paintballs diarahkan ke depan dan ke belakang pada waktu yang tepat dan hanya dapat mengenai waktu dengan ketukan. Ketukan dapat dianggap sebagai pukulan tepat waktu.