Una curiosa guía para el observador de la mecánica cuántica, pt. 2: El crisol de partículas

By: MIGUEL F. MORALES

En el que los láseres hacen cosas que no tienen absolutamente ningún sentido pero que nos dan grandes relojes.

Algunas revoluciones técnicas entran con dramatismo y estruendo, otras se deslizan inadvertidas en nuestra experiencia cotidiana. Y una de las revoluciones más silenciosas de nuestro siglo actual ha sido la entrada de la mecánica cuántica en nuestra tecnología cotidiana. Solía ​​ser que los efectos cuánticos se limitaban a los laboratorios de física y los 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, ha llegado el momento de explicar la mecánica cuántica o, al menos, sus conceptos básicos.

Mi objetivo en esta serie de siete (!) Partes es presentar los efectos extrañamente hermosos de la mecánica cuántica y explicar cómo han llegado a influir en nuestro mundo cotidiano. Cada edición incluirá una caminata guiada por los bosques de la mecánica cuántica donde admiraremos un efecto nuevo, ya menudo sorprendente. Una vez de vuelta en el centro de visitantes, hablaremos sobre cómo se usa ese efecto en la tecnología y dónde buscarlo.

Embarcarse en una serie de artículos sobre mecánica cuántica puede resultar intimidante. Pocas cosas provocan más miedo que “una simple introducción a la física”. Pero a los intrépidos y valientes, les haré algunas promesas antes de comenzar:

• Sin matemáticas. Si bien el lenguaje de la mecánica cuántica se escribe utilizando matemáticas bastante avanzadas, no creo que uno tenga que leer japonés antes de poder apreciar el arte japonés. Nuestro viaje se centrará en la belleza del mundo cuántico.
• Sin filosofía. Ha habido una fascinación con el “significado” de la mecánica cuántica, pero dejaremos esa discusión para unas pintas en el pub. Aquí nos centraremos en lo que vemos.
• Todo lo que encontremos será verificado experimentalmente. Si bien algunos de los resultados pueden ser sorprendentes, nada de lo que encontremos será especulativo.

Si eliges seguirme a través de esta serie de artículos, veremos fenómenos cuánticos a escalas galácticas, observaremos cómo las partículas se mezclan y se mezclan, y veremos cómo estos efectos dan lugar tanto a nuestra tecnología actual como a los avances que están a punto de salir adelante. del laboratorio.

Así que ponte tus botas de montaña mentales, coge tus binoculares y sígueme mientras nos disponemos a explorar el mundo cuántico.

¿Qué es la mecánica cuántica?

Mi mamá me preguntó una vez: “¿Qué es la mecánica cuántica?” Esta pregunta me ha dejado perplejo por un tiempo. Mi mejor respuesta hasta ahora es que la mecánica cuántica es el estudio de cómo las partículas pequeñas se mueven e interactúan. Pero esa es una respuesta incompleta, ya que los efectos cuánticos también pueden ser importantes a escalas galácticas. Y es doblemente insatisfactorio porque muchos efectos, como la superconductividad, son causados ​​por la combinación y la mezcla de múltiples partículas.

En muchos sentidos, el papel de la mecánica cuántica puede entenderse en analogía con la gravedad newtoniana y la relatividad general de Einstein. Ambos describen la gravedad, pero la relatividad general es más correcta: describe cómo funciona el Universo en cada situación que hemos logrado probar. Pero el 99,99 por ciento de las veces, la gravedad newtoniana y la relatividad general dan la misma respuesta, y la gravedad newtoniana es mucho más fácil de usar. Entonces, a menos que estemos cerca de un agujero negro, o que realicemos mediciones precisas del tiempo con un reloj óptico, la gravedad newtoniana es lo suficientemente buena.

De manera similar, la mecánica clásica y la mecánica cuántica describen movimientos e interacciones. La mecánica cuántica tiene más razón, pero la mayoría de las veces la mecánica clásica es lo suficientemente buena.

Lo que encuentro fascinante es que “suficientemente bueno” cada vez más no lo es. Gran parte de la tecnología desarrollada en este siglo está comenzando a depender de la mecánica cuántica; la mecánica clásica ya no es lo suficientemente precisa para comprender cómo funcionan estos inventos.

Así que comencemos la caminata de hoy con una pregunta engañosamente simple: “¿Cómo se mueven las partículas?”

Mecánica cuántica de cocina

Algunos de los experimentos que veremos requieren equipo especializado, pero comencemos con un experimento que puede hacer en casa. Como en un programa de cocina, te explicaré cómo hacerlo, pero te animamos a que lo sigas y hagas el experimento por ti mismo. (Comparta sus fotos en la discusión a continuación. Puntos de bonificación por configurar el experimento en su cubículo / lugar de trabajo / otro entorno creativo).

Para estudiar cómo se mueven las partículas, necesitamos un buen disparador de partículas para hacer muchas partículas con las que podamos jugar. Resulta que un puntero láser, además de entretener al gato, es una gran fuente de partículas. Produce grandes cantidades de fotones, todos moviéndose casi en la misma dirección y con casi la misma energía (como lo indica su color).

Si miramos la luz de un puntero láser, sale por el extremo del puntero láser y se mueve en línea recta hasta que golpea un obstáculo y se dispersa (o golpea un espejo y rebota). En este punto, es tentador adivinar que sabemos cómo se mueven las partículas: salen por el extremo del láser como pequeños cojinetes de bolas y se mueven en línea recta hasta que chocan contra algo. Pero como buenos observadores, asegurémonos.

Retemos a las partículas con una carrera de obstáculos cortando finas ranuras en papel de aluminio con hojas de afeitar. En el papel de aluminio hice un par de cortes diferentes. La primera es una sola hendidura, de unos pocos milímetros de largo. Para el segundo, apilé dos hojas de afeitar juntas y las usé para cortar dos ranuras paralelas separadas por unas décimas de milímetro.

En una habitación oscura, configuro mi puntero láser para disparar a través de la habitación y golpear una pared en blanco. Como esperaba, veo una mancha (siempre que el gato no esté cerca). A continuación, coloco la única ranura en el papel de aluminio en la trayectoria del láser y miro el patrón en la pared. Cuando enviamos la luz a través de la rendija única, vemos que el rayo se expande dramáticamente en la dirección perpendicular a la rendija, no a lo largo de la rendija.

Interesante. Pero sigamos adelante.

Ahora coloquemos las rendijas poco espaciadas en el rayo láser. La luz se extiende de nuevo, pero ahora hay un patrón de rayas.

¡Felicidades! ¡Acabas de ver un efecto mecánico cuántico! (emoji animado whoo hoo) Este es el clásico experimento de doble rendija. El patrón de rayas se llama interferencia y es una firma reveladora de la mecánica cuántica. Veremos muchas rayas como estas.

Ahora, probablemente haya visto interferencias como esta antes, ya que el agua y las ondas sonoras muestran exactamente este tipo de rayas.

En la foto de arriba, cada bola crea ondas que se mueven en círculo. Pero una ola tiene tanto un pico como un valle. En algunos lugares, el pico de la ola de una de las bolas siempre coincide con el valle de la otra (y viceversa). En estas zonas las olas siempre se anulan y el agua está en calma. En otros lugares, los picos de las olas de ambas bolas siempre llegan juntos y se suman para formar una ola extra alta. En estos lugares, los canales también se suman para ser más profundos.

Entonces, ¿el hecho de que veamos rayas cuando nuestro puntero láser atraviesa dos rendijas significa que las partículas son ondas? Para responder a esa pregunta, tendremos que mirar más de cerca.

La cocina profesional

Las rendijas dobles tenían dos propósitos: cada rendija extendía el haz (como vimos cuando pasamos por una sola rendija), mientras que las dos rendijas estrechamente espaciadas proporcionaban a las partículas una opción en cuanto a qué rendija pasar. Podemos usar una configuración experimental diferente para separar más claramente el acto de extender el rayo y forzar una elección, y esta configuración más grande nos permitirá estudiar en detalle lo que está sucediendo. (Este es el momento en el programa de cocina en el que sacan alguna herramienta de cocina oscura, como una antorcha de crème brûlée, que es poco probable que tengas en casa).

Manteniendo el láser, usemos una lente para extender el rayo y luego un espejo medio plateado para dar a las partículas una opción de un sentido o de otro. Luego usamos un par de buenos espejos y otro espejo medio plateado para recombinar los rayos antes de que lleguen a una pared o pantalla, como se muestra arriba. Si uno de los espejos está desalineado ligeramente, volveremos a ver rayas (lugares donde las ondas se suman y se cancelan). En el video de 38 segundos a continuación, muestro la versión de trabajo.

Lo que encuentro divertido de esta configuración es que es grande . No necesito un microscopio para jugar con eso. Por conveniencia, hice esta mesa de tamaño, pero podríamos haberla hecho enorme. En el experimento LIGO usado para detectar ondas gravitacionales, la luz se envía por brazos de 4 km de largo, y con la luz de radio usamos la nave espacial Cassini cuando se acercó a Saturno como un espejo. La mecánica cuántica no se limita al mundo microscópico.

Pero juguemos con nuestro experimento de tamaño humano y veamos algunos efectos mecánicos cuánticos más.

Cámara lenta

Lo primero que me gustaría hacer es observar con mucho cuidado el patrón de rayas. En lugar de simplemente mirar la pantalla, usemos una cámara sensible para que podamos verla a medida que se desarrolla. Cuando el láser es brillante, la cámara capturará rayas inmediatamente. Pero si oscurecemos mucho la habitación y disminuimos la potencia del láser, notaremos que la luz no se distribuye uniformemente, sino que aparece en “puntos” individuales; en cámara lenta podemos ver la llegada de fotones individuales. Parecen pequeñas bolas de pintura rojas que golpean el sensor de la cámara.

Dado que se trata de una cámara de video, tenemos un registro de dónde impactan los fotones. Si reproducimos el video, parece que estamos viendo a alguien hacer una pintura de puntillismo. Aparecen puntos individuales en la pantalla sin un patrón obvio. Si mantenemos el lugar donde aterrizaron iluminado sumando los fotogramas de video, los puntos comienzan a rellenar el patrón de rayas que vimos cuando hicimos girar el láser por completo.

El patrón de rayas está ahí, incluso si solo lo generamos un fotón a la vez.

¿Por dónde se fue?

Tanto en el experimento de doble rendija como en la configuración de laboratorio más grande, la luz puede tomar dos caminos diferentes: la rendija / ruta izquierda o la ranura / ruta derecha. Pero lo que vemos es el resultado de partículas individuales que golpean la pantalla. Entonces, ¿qué camino toman las partículas individuales?

Si bloqueo cualquiera de los caminos, las rayas desaparecen. Lo mismo sucede con el papel de aluminio si bloquea una de las ranuras con una tarjeta de índice (aunque esto requiere una mano muy firme). Solo vemos rayas si la luz puede viajar por ambos caminos e interactuar antes de llegar a la pantalla.

Esto se vuelve aún más extraño si bajamos la intensidad de la luz. Podemos bajar el láser tan bajo que solo una partícula de luz viaja a través del experimento a la vez. No importa qué tan bajo encienda la luz, las rayas solo aparecen cuando cada fotón individual puede tomar ambos caminos. (Incluso si lo limitamos a una partícula a la vez, como en el video de arriba, las partículas se sumarán lentamente al patrón que se ve arriba).

Aunque un solo fotón golpea la pantalla como una pequeña bola de pintura, donde golpea la pantalla (en las franjas brillantes) muestra que cada fotón tomó ambos caminos.

Si todavía no le duele la cabeza, no está prestando atención. Pero, es importante registrar todas las marcas en un pájaro extraño antes de mirar en la guía, así que veamos un poco más de cerca antes de explicar lo que está sucediendo.

Color

¿Qué pasa si usamos un puntero láser de color diferente? Reemplazando el puntero láser rojo por uno verde, vemos el mismo conjunto de rayas pero ahora las rayas están más juntas. Las rayas están aún más juntas para un puntero láser azul. A medida que la longitud de onda de la luz se acorta, el espaciado de las rayas se hace más estrecho.

Podemos repetir estos experimentos, mirando la llegada de los fotones en cámara lenta y bloqueando diferentes caminos, y todo funciona de la misma manera con la excepción de que las franjas están más juntas.

Pero mirar el video en cámara lenta de las partículas que golpean la cámara plantea la pregunta de qué tan fuerte están golpeando los fotones. ¿Hay golpes duros y golpes suaves? El sensor de cámara estándar que hemos estado usando no puede medir la fuerza con la que impactan los fotones. Pero hay detectores (costosos) que pueden medir cuánto se calienta cada píxel cuando es golpeado por un fotón. El calor depositado por el fotón nos dice directamente qué tan fuerte golpeó el fotón, cuánta energía tenía.

Si ponemos uno de estos elegantes detectores en nuestro experimento, veremos que todos los fotones rojos tienen la misma energía. Todos los fotones verdes tienen más energía que los fotones rojos, pero la misma energía que todos los demás fotones verdes. Los fotones azules son aún más energéticos. El color nos dice directamente la fuerza con la que un fotón golpeará el detector.

Entonces tenemos un par de observaciones asociadas con el color. A medida que el color se vuelve más azul, el espaciado de las rayas se vuelve más cercano y la energía de cada impacto con la pantalla aumenta. La energía está estrechamente asociada con el espaciado de los patrones de rayas.

Entonces, ¿qué está pasando?

Las rayas que estamos viendo son un sello distintivo de las olas. Las ondas de sonido y las ondas de agua exhiben este tipo de rayas. Si alguna vez ha escuchado lugares ruidosos y silenciosos en un concierto o mientras escucha el estéreo y camina por la habitación, ha escuchado las franjas de interferencia de ondas. Puede recrear esta experiencia tocando una sola nota de un sintetizador a través de un par de altavoces estéreo. Los dos altavoces actúan como las dos ranuras del papel de aluminio; Al mover la cabeza de izquierda a derecha, puede escuchar las partes fuertes (brillantes) y suaves (tenues) de las rayas (pruebe con una nota un par de octavas por encima del Do central). Vimos el mismo efecto de onda en ondas de agua antes.

A medida que el tono del sonido aumenta, o las ondas del agua se acortan en longitud, la distancia entre las franjas brillantes se acercará, al igual que cuando cambiamos el color del láser. Y si bloqueamos las ondas en uno de los caminos (tirando del cable del altavoz en uno de los altavoces o deteniendo una de las fuentes de ondas en el agua) las rayas desaparecerán. Todos los experimentos que hicimos que probaron cómo las partículas se movían desde el puntero láser a la pantalla muestran que las partículas se mueven como ondas.

Sin embargo, también vimos que la luz golpeaba la pantalla como pequeñas bolas de pintura. Golpean en un punto y depositan una cantidad determinada de energía según su color. Todos los experimentos sobre cómo las partículas golpean la cámara muestran que se comportan como pequeños rodamientos de bolas.

Este es el misterio fundamental de la mecánica cuántica: las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas.

La pregunta inmediata es si esto es algo especial asociado con las partículas de luz, o si es cierto para todas las partículas. La respuesta corta es que siempre es cierto. Es cierto para cualquier tipo de partícula, bajo cualquier circunstancia, todo el tiempo. Fotones, electrones, incluso moléculas. Las partículas siempre se mueven como ondas y golpean como partículas.

Por qué los físicos rara vez son invitados a fiestas

Claramente, esta afirmación, que todas las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas, requiere pruebas intensivas. Mi ejemplo favorito es el de los neutrones; podemos repetir el experimento que hicimos con luz láser para ver si los neutrones se comportan de la misma manera. Para hacer esto, necesitamos dos cosas: un buen disparador de guisantes de neutrones y algunos espejos de neutrones.

Todos tenemos mucha suerte de que los punteros láser de neutrones no existan. Pero hay una muy buena fuente de neutrones: la planta de energía nuclear de su vecindario amigable. Los reactores nucleares crean grandes cantidades de neutrones, y los operadores de la planta ya canalizan algunos de los neutrones fuera del área del reactor porque necesitan medir los neutrones para realizar un seguimiento del reactor. Si pestañeas y obtienes autorización de seguridad, también te permitirán eliminar algunos de los neutrones.

Luego, debe desechar tanto los neutrones de baja energía como los de alta energía para crear una corriente de neutrones de la misma energía (como fotones del mismo color en un láser). Una vez que haya hecho eso, tendrá un gran disparador de neutrones que produce muchos neutrones de casi el mismo color (probablemente lo mejor sea que esté encadenado a un reactor nuclear inamovible).

Ahora necesitamos algunos espejos de neutrones. Se pueden usar cristales para reflejar neutrones, pero debido a que la longitud de onda de los neutrones es muy pequeña, la alineación de los espejos se convierte en un tema crítico. Aquí es donde la industria de los semiconductores viene a nuestro rescate. Los chips de computadora están construidos sobre obleas de silicio que se cortan de cristales grandes y perfectos.

En lugar de cortar estos cristales en obleas, podemos cortar la mitad del cristal para dejar tres ‘aletas’ que actúan como los espejos de un interferómetro y se mantienen en perfecta alineación por el cristal restante.

Cuando enviamos nuestros neutrones de energía única a través de los espejos de cristal, vemos exactamente el mismo patrón de interferencia que vimos con la luz. Podemos repetir todos los experimentos que hicimos con luz y obtenemos exactamente los mismos resultados. Incluso cuando enviamos un neutrón a la vez a través del cristal, vemos las franjas onduladas. Con el hardware adecuado, podemos extender esto más allá de los fotones y neutrones para probar muchos tipos diferentes de partículas. Y cuando lo hacemos, encontramos que todas las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas.

Los neutrones son una partícula particularmente interesante por varias razones. Primero, son pesados ​​y lentos. Esto los hace más sensibles a la gravedad. Podemos rotar el cristal para que, en lugar de las rutas izquierda y derecha, tengamos rutas superior e inferior como se muestra a continuación. A medida que un neutrón sube cuesta arriba, se ralentiza (se vuelve más rojo) y, a medida que desciende, se acelera (se vuelve más amarillo). Entonces, la onda de neutrones en la ruta superior viajará más lentamente que la onda de neutrones en la ruta inferior.

Todavía vemos las rayas cuando las ondas se recombinan, pero debido a que la onda de neutrones en la parte superior del brazo fue lenta y llegó un poco tarde, las rayas se desplazan de un lado a otro. La cantidad de este cambio es una forma de medir la fuerza de la gravedad.

(Aunque son muy precisos, actualmente hay mejores formas de medir la gravedad que con neutrones. Sin embargo, muchos de ellos usan exactamente el mismo tipo de configuración experimental, solo que los neutrones se reemplazan con átomos de rubidio y espejos hechos de luz).

Los neutrones también son interesantes porque son partículas compuestas: un neutrón está formado por tres quarks. Aunque está formado por subpartículas, todavía se mueve como una onda. Los experimentos modernos han llevado esto mucho más lejos y envían regularmente átomos de cesio (más de 180 protones + neutrones + electrones) e incluso moléculas grandes como Bucky Balls (60 átomos) y ftalocianina con miles de partículas constituyentes a través de configuraciones de interferómetro similares. Incluso estas enormes partículas compuestas se mueven como ondas y producen las franjas reveladoras en un interferómetro.

Si bien obtener un rango de energía estrecho se vuelve muy difícil a medida que aumenta la masa, estos grandes objetos compuestos se comportan exactamente de la misma manera que los fotones de nuestro puntero láser. Una sola Bucky Ball se moverá como una ola y tomará todos los caminos a través del experimento, luego golpeará como una partícula. Las franjas reveladoras del movimiento de las ondas y el espaciado de las franjas dependiente de la energía muestran que incluso los objetos más grandes se mueven como ondas hasta que alcanzan el detector, donde chocan como partículas.

De vuelta en el centro de visitantes

¡Felicitaciones por sobrevivir a su primer paseo guiado por los espeluznantes bosques de la mecánica cuántica! Entonces, ¿qué vimos en nuestra primera excursión? Observamos que cuando enviamos una partícula a la vez a través de un experimento, tomará ambos caminos como una onda, pero cuando la detectemos, golpeará como una partícula. La fuerza con la que golpea, su energía, está relacionada con la longitud de onda de la onda. A medida que aumenta la energía (longitud de onda más corta), las franjas se espacian más estrechamente. Este comportamiento es consistente para todo tipo de partículas, desde fotones de luz hasta electrones y partículas compuestas como neutrones, átomos o moléculas. Es una característica fundamental del funcionamiento de la naturaleza.

Ahora que estamos de vuelta en el centro de visitantes, hablemos de cómo estas observaciones se aplican a nuestro mundo tecnológico. La naturaleza ondulatoria de las partículas aparece en todas partes. La iridiscencia de las plumas de colibrí y las pompas de jabón, los revestimientos antirreflejos de las lentes de las cámaras y la óptica de los microscopios electrónicos se basan en el movimiento cuántico ondulatorio de las partículas.

Pero un buen ejemplo tecnológico es el giroscopio óptico. Los sistemas de guía giroscópica se utilizan en aviones, satélites y cohetes. Originalmente usaban hardware de giro físico para realizar un seguimiento de la orientación, pero casi todos han sido reemplazados por giroscopios ópticos porque son más baratos, más sensibles y más confiables.

En el interferómetro de neutrones, notamos que las franjas se desplazaban cuando la onda que atravesaba la parte superior del brazo llegaba al espejo final un poco tarde, en ese caso porque la gravedad ralentizaba los neutrones en la parte superior del brazo. Podemos obtener un efecto similar usando luz si el interferómetro gira mientras el fotón atraviesa el experimento.

Debido a que el espejo final se ha movido durante el experimento, el brazo en el sentido de las agujas del reloj es un poco más largo que el brazo en el sentido contrario a las agujas del reloj, por lo que la onda en el sentido de las agujas del reloj llega un poco tarde y el patrón de interferencia cambia. Cuanto más rápido gira el experimento, más se desplazan las rayas. Medir qué tan lejos se desplazan las rayas directamente nos indica la velocidad de rotación. Los cambios en la orientación en lo que sea que esté conectado el dispositivo, ya sea un automóvil, un avión o un satélite, harán girar el interferómetro y agregarán un cambio adicional a las rayas.

Para hacer que el giroscopio sea más robusto, podemos hacer todos los láseres, espejos y trayectorias con fibra óptica. Y para hacerlo más sensible, podemos hacer que la luz viaje en muchos bucles en sentido horario y antihorario antes de recombinarse. Los giroscopios de fibra funcionan porque un fotón de luz se mueve como una onda y tomará las rutas en sentido horario y antihorario y producirá rayas cuando se recombinen. Los giroscopios de fibra se basan en la mecánica cuántica para funcionar.

Las próximas semanas

Uno de mis objetivos en estos artículos es mostrar algunas de las maravillas que se esconden en las maderas de la mecánica cuántica. En este artículo nos mantuvimos bastante cerca del camino de la naturaleza, pero en las próximas semanas me gustaría adentrarme más en el bosque y mostrarles cosas que generalmente están reservadas para los estudiantes graduados de física. Creo que podemos hacer esto sin las matemáticas que se usan normalmente, y realmente ver algo de la belleza que surge cuando miras de cerca el mundo natural.

En el artículo de la próxima semana, ampliaremos la idea de ondas de partículas y analizaremos la mezcla de partículas. Esto nos llevará a comprender cómo funciona el LIDAR de onda continua y veremos uno de los grandes inventos que acaba de salir del laboratorio: el peine óptico. En las próximas semanas, veremos partículas introvertidas y extrovertidas, interferencia en escalas extragalácticas, átomos artificiales, criptografía cuántica y más. Así que regrese la semana que viene para otra caminata por los bosques de la mecánica cuántica.