Um curioso guia do observador para a mecânica quântica, pt. 3: óculos rosa

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Getty Images / Aurich Lawson

Uma das revoluções mais silenciosas do nosso século atual foi a entrada da mecânica quântica em nossa tecnologia cotidiana. Antigamente, os efeitos quânticos ficavam confinados a laboratórios de física e experimentos delicados. Mas a tecnologia moderna depende cada vez mais da mecânica quântica para sua operação básica, e a importância dos efeitos quânticos só aumentará nas próximas décadas. Como tal, o físico Miguel F. Morales assumiu a tarefa hercúlea de explicar a mecânica quântica para o resto de nós, leigos, nesta série de sete partes (sem matemática, prometemos). Abaixo está a terceira história da série, mas você sempre pode encontrar a história inicial aqui.

Até agora, vimos as partículas se moverem como ondas e aprendemos que uma única partícula pode seguir vários caminhos amplamente separados. Há uma série de perguntas que surgem naturalmente desse comportamento – uma delas é: "Qual o tamanho de uma partícula?" A resposta é incrivelmente sutil e, nas próximas duas semanas (e artigos), exploraremos diferentes aspectos dessa questão.

Hoje, vamos começar com uma pergunta aparentemente simples: “Como grandes é uma partícula? ”

Vá longe

Para responder a isso, precisamos pensar em um novo experimento. Anteriormente, enviamos um fóton por dois caminhos muito diferentes. Embora os caminhos estivessem amplamente separados nesse experimento, seus comprimentos eram idênticos: cada um contornava os dois lados de um retângulo. Podemos melhorar essa configuração adicionando alguns espelhos, o que nos permite alterar gradualmente o comprimento de um dos caminhos.

Um experimento aprimorado de dois caminhos em que podemos ajustar o comprimento de um dos caminhos. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/04/Open-MZ-2-640x403. png "width =" 640 "height =" 403 "srcset =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/04/Open-MZ-2-1280x807.png 2x
Prolongar / Um experimento aprimorado de dois caminhos, onde podemos ajustar o comprimento de um dos caminhos.

Miguel Morales

Quando os caminhos têm o mesmo comprimento, vemos listras exatamente como vimos no primeiro artigo. Mas à medida que tornamos um dos caminhos mais longo ou mais curto, as listras lentamente desaparecem. Esta é a primeira vez que vimos listras desaparecerem lentamente; em nossos exemplos anteriores, as listras estavam lá ou não.

Podemos temporariamente associar esse desbotamento das listras conforme mudamos o comprimento do caminho com o comprimento do fóton viajando pelo caminho. As listras só aparecem se as ondas de um fóton se sobrepõem quando recombinadas.

Mas se as partículas viajam como ondas, o que queremos dizer com comprimento? Uma imagem mental útil pode ser jogar uma pedra em uma poça de água lisa. As ondulações resultantes se espalham em todas as direções como um conjunto de anéis. Se você traçar uma linha de onde a rocha caiu através dos anéis, você verá que há de cinco a dez deles. Em outras palavras, existe uma espessura no anel das ondas.

Outra forma de ver isso é como se fôssemos uma rolha na água; não sentiríamos nenhuma onda, um período de ondas, e então a água lisa novamente após a ondulação passar. Diríamos que o ‘comprimento’ da ondulação é a distância / tempo ao longo do qual experimentamos as ondas.

Ondinhas em uma lagoa. Observe a espessura do anel de ondas. "src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/04/Ripples-640x375.png "width =" 640 "height =" 375 "srcset =" https: //cdn.arstechnica .net / wp-content / uploads / 2020/04 / Ripples.png 2x
Prolongar / Ondinhas em uma lagoa. Observe a espessura do anel de ondas.

Roberto Machado Noa / Getty Images

Da mesma forma, podemos pensar em um fóton viajante como um conjunto de ondulações, uma massa de ondas entrando em nosso experimento. As ondas se dividem naturalmente e seguem os dois caminhos, mas só podem se recombinar se os dois comprimentos de caminho forem próximos o suficiente para que as ondulações interajam quando forem reunidas novamente. Se os caminhos forem muito diferentes, um conjunto de ondulações já terá passado antes que o outro chegue.

Esta imagem explica muito bem por que as listras desaparecem lentamente: elas são fortes quando há uma sobreposição perfeita, mas desbotam conforme a sobreposição diminui. Ao medir o quanto até as listras desaparecerem, medimos o comprimento das ondulações de onda da partícula.

Cavando na gaveta da lâmpada

Podemos fazer nossos experimentos usuais e ver as mesmas características que vimos antes: diminuir a taxa de fótons (o que produz um pontilhismo de listras no paintball), mudar a cor (cores mais azuis significam espaçamento mais próximo), etc. Mas agora também podemos meça como as listras se comportam conforme ajustamos o comprimento do caminho.

Embora usemos frequentemente lasers para gerar partículas de luz (eles são ótimos atiradores de fótons), qualquer tipo de luz serve: uma lâmpada incandescente, uma luz LED para sala, uma lâmpada de néon, postes de sódio, luz das estrelas, luz que passa por filtros coloridos . Qualquer tipo de luz que enviamos cria listras quando os comprimentos do caminho correspondem. Mas as listras desaparecem em distâncias que variam de mícrons para luz branca a centenas de quilômetros para os lasers da mais alta qualidade.

Fontes de luz com cores distintas tendem a ter ondulações mais longas. Podemos investigar as propriedades da cor de nossas fontes de luz enviando sua luz através de um prisma. Algumas das fontes de luz têm uma faixa de cores muito estreita (a luz do laser, a lâmpada de néon, a luz de sódio da rua); alguns têm um amplo arco-íris de cores (a lâmpada incandescente, luz LED da sala, luz das estrelas); enquanto outros, como a luz do sol enviada através de um filtro colorido, são intermediários na gama de cores compostas.

O que notamos é que há uma correlação: quanto mais estreita a faixa de cores da fonte de luz, maior pode ser a diferença de caminho antes que as listras desapareçam. A cor em si não importa. Se eu escolher um filtro vermelho e um filtro azul que permitem a mesma largura de cores, eles terão suas listras desaparecerão na mesma diferença de caminho. É o alcance da cor que importa, não a cor média.

O que nos leva a um resultado bastante surpreendente: o comprimento de uma onda de partícula é dado pela gama de cores (e, portanto, de energias) que possui. O comprimento não é um valor definido para um tipo específico de partícula. Apenas cavando em nossa gaveta de fontes de luz, criamos fótons com comprimentos variando de mícrons (luz branca) a alguns centímetros (um apontador laser).

Fonte: Ars Technica