Una curiosa guía para el observador de la mecánica cuántica, Parte 6: Dos espectros cuánticos

Aurich Lawson / Getty Images

Una de las revoluciones más silenciosas de nuestro siglo actual fue la entrada de la mecánica cuántica en nuestra tecnología diaria. En el pasado, los efectos cuánticos se limitaban a laboratorios de física y experimentos delicados. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para su funcionamiento básico, y la importancia de los efectos cuánticos solo crecerá en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la hercúlea tarea de explicar la mecánica cuántica a los profanos en esta serie de siete partes (sin matemáticas, lo prometemos). A continuación se muestra la sexta historia de la serie, pero siempre puede encontrar la historia inicial más que página de destino de toda la serie hasta ahora en el sitio.

Durante nuestras aventuras cuánticas hasta la fecha, hemos visto una serie de efectos cuánticos interesantes. Entonces, para nuestra última gran caminata, aventurémonos en un rincón particularmente espeluznante del bosque cuántico: hoy veremos entrelazamiento es orden de medida.

Juntos, estos dos conceptos crean algunos de los efectos más contradictorios en la mecánica cuántica. Son tan contradictorios que este es probablemente un buen momento para reiterar que nada en esta serie es especulativo: todo lo que hemos visto está respaldado por cientos de observaciones. A veces, el mundo es mucho más extraño de lo que esperamos.

Siempre he considerado extraño e inquietante el mundo de los espías y el espionaje, por lo que quizás sea apropiado que una de las aplicaciones de las que hablamos hoy sea la encriptación. Pero aún queda mucho por hacer antes de que lleguemos allí.

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Jugando a la luz del sol

Después de una larga caminata a través de un bosque cada vez más oscuro y sombrío, con árboles nudosos que gotean enredaderas, emergimos inesperadamente a un prado resplandeciente con un sol brillante. Parpadeando a la luz, sacamos nuestras gafas de sol polarizadas.

Las lentes de las gafas de sol polarizadas están polarizadas verticalmente, lo que significa que si se usan normalmente, permitirán que pase la luz polarizada verticalmente, pero bloquearán completamente la luz polarizada horizontalmente. Esto es ventajoso, porque la luz reflejada por el agua está polarizada principalmente horizontalmente; una lente que deja pasar solo luz polarizada verticalmente reducirá en gran medida el deslumbramiento reflejado.

Sospechando un poco del hermoso sol en nuestro misterioso claro, comenzamos a mirar a través de varios pares de gafas de sol. Entrecerrar los ojos a través de dos o tres pares de gafas de sol al mismo tiempo te hace parecer ridículo, pero esos son los sacrificios que hacemos por la ciencia. Trazaremos los resultados que vería, pero si puede recolectar tres pares de gafas de sol polarizadas, puede realizar todos los experimentos de este artículo en casa.

Lo que ves al mirar a través de dos gafas de sol polarizadas.  Cada lente polarizada deja pasar solo luz polarizada en la dirección de la flecha en el eje.  Todas las lentes dejarán pasar la mitad de la luz no polarizada (el tinte gris medio).  Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos vasos, la orientación relativa de los vasos es importante.  A la izquierda, ambas lentes dejan pasar la luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa por la primera lente también pasa por la segunda.  A la derecha, sin embargo, las gafas en la parte posterior se giran para dejar pasar solo la luz polarizada horizontalmente, que está completamente bloqueada por las gafas delanteras.  Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 ° 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 luz de fondo).
Acercarse / Lo que ves al mirar a través de dos gafas de sol polarizadas. Cada lente polarizada deja pasar solo luz polarizada en la dirección de la flecha en el eje. Todas las lentes dejarán pasar la mitad de la luz no polarizada (el tinte gris medio). Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos vasos, la orientación relativa de los vasos es importante. A la izquierda, ambas lentes dejan pasar la luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa a través de la primera lente también pasa por la segunda. A la derecha, sin embargo, las gafas en la parte posterior se giran para dejar pasar solo la luz polarizada horizontalmente, que está completamente bloqueada por las gafas delanteras. Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 ° 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 luz de fondo).

Marcador de posición de Miguel Morales

Si sostiene dos pares de anteojos frente a usted y luego gira un par, notará que la cantidad de luz que pasa varía. dramáticamente. Cuando las gafas están en un ángulo de 90 ° (por ejemplo, una sostenida normalmente y el otro par hacia un lado) casi no pasa la luz. La vista combinada a través de las lentes aparecerá casi completamente negra: para lentes polarizadas realmente buenas, se volverán casi como vidrio de soldadura oscuro. Por el contrario, cuando se mantienen en la misma orientación, dejan pasar casi la misma cantidad de luz que un solo par de anteojos (con buenas lentes polarizantes mantenidas en perfecta alineación, esto es exactamente cierto).

Esto es lo suficientemente simple de entender. Si ambos lentes se sostienen verticalmente, el primer par de lentes solo deja pasar la luz vertical. Dado que el segundo par también deja pasar la luz vertical, no tiene nada que bloquear: toda la luz que ha pasado por el primer par también pasará por el segundo. Por el contrario, si sostenemos el primer par de lado de modo que solo pase la luz horizontal y sostenemos el segundo par normalmente para que bloquee la luz horizontal, entonces no hay luz que pueda pasar a través de ambos. Juntos, se ven muy oscuros. Y si sostienes tus lentes en un ángulo de 45 ° entre sí, es intermedio; la mitad de la luz que atraviesa el primer par de gafas atraviesa el segundo.

Solo es importante la orientación entre las lentes, no cómo están orientadas en relación con el entorno.
Acercarse / Solo es importante la orientación entre las lentes, no cómo están orientadas con respecto al medio ambiente.

Marcador de posición de Miguel Morales

Lo único que importa es el ángulo entre las lentes. Si elegimos una orientación relativa, como cruzada, y giramos ambas lentes juntas, veremos que la opacidad sigue siendo la misma. Las gafas con marco verde a la derecha se mantienen a ± 45 ° de la vertical, pero como el primer par deja pasar la luz polarizada 45 ° a la izquierda de la vertical, se bloquea toda la luz.

Todo esto parece tener sentido. Pero luego recuerdas que esto es mecánica cuántica, y la música espeluznante de la película comienza a sonar de fondo. Agreguemos un tercer par de anteojos. Y para ayudar a mantener todas las orientaciones rectas, siempre usaremos marcos azules para orientaciones horizontales / verticales y marcos verdes para orientaciones de ± 45 °.

Comenzando con las lentes cruzadas, agreguemos una lente diagonal detrás de ellas.
Acercarse / Comenzando con las lentes cruzadas, agreguemos una lente diagonal detrás de ellas.

Marcador de posición de Miguel Morales

Empezaremos con dos vasos cruzados, como se muestra a la izquierda. Luego agregaremos una tercera lente orientada a 45 ° detrás los dos que ya teníamos. En una inspección más cercana, esto se comporta como era de esperar. Dondequiera que las gafas originales bloqueen la luz sigue siendo negra. En las esquinas pequeñas donde no hay solapamiento completo, la luz pasa por la lente de 45 ° y una de las otras lentes y obtenemos el tinte un poco más oscuro que vimos en la Figura 1. Si miramos las novedades, vemos que la región también el punto donde la luz debe pasar a través de las tres lentes es negro.

Reorganizar el orden de las gafas marca una gran diferencia.
Acercarse / Reorganizar el orden de las gafas marca una gran diferencia.

Marcador de posición de Miguel Morales

Pero vemos algo extraordinario si reorganizamos las gafas. Empezamos de nuevo con las gafas cruzadas, pero ahora deslizamos la lente a 45 ° Entre su. Cuando hacemos esto, la luz penetra donde se superponen las tres lentes. Cuando solo se superponen dos lentes, se obtienen los resultados esperados: negro para cruzado y coloreado para orientación relativa de 45 °. Pero a pesar de que las lentes delantera y trasera están cruzadas y normalmente no dejan pasar la luz, si coloca otra lente con polarización intermedia en el medio, de repente la luz puede pasar.

Esto es extraño. los orden las gafas son importantes. Si sigue a casa, intente invertir el orden de las lentes. Si las lentes cruzadas están una al lado de la otra en la pila, casi no pasa luz. Pero si alterna entre los marcos azul (horizontal / vertical) y verde (± 45 °), pasará algo de luz.

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