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大眾有五種方法能看到量子宇宙


2018年6月09日20時 今日科學 博科園
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電子穿過雙縫的波動模式圖。如果你測量「哪個狹縫」電子穿過,你就破壞了這裡顯示的量子干涉圖樣。雖然這個實驗需要一些精密的設備,但有很多方法可以在家裡看到量子宇宙的影響。圖片版權:Dr. Tonomura and Belsazar of Wikimedia Commons

宇宙是由不可分割的超小量子粒子構成的革命性思想。除此之外,這些量子在某些情況下只能表現為粒子;在其它條件下表現得像波一樣。這聽起來不僅違反直覺,而且牽強。然而物理學家不相信任何事情,同樣是大自然的實際行為,這需要實驗來驗證。

如果沒有大型的科學設備,比如使用一對偏振光的太陽眼鏡,就可以在家裡演示那些奇異的量子效應,這總是很有趣的。

有一些非常簡單的方法可以同時享受自然的波和粒子性質。有一些可以在家做的實驗來親眼看看!

TOP1、雷射筆和CD / DVD /藍光

有雷射筆嗎?有一個方便的CD,DVD或藍光光碟?那麼把雷射傾斜(在一個陡峭的角度)在光碟上,你看到了什麼?不要看光碟本身(也不要照射你的眼睛),而是看光的反射點,只有一個點嗎?不是的,可能會有一堆,至少3三個,取決於你的雷射束的寬度。

通過使雷射指示器穿過(通過刮掉鋁片)CD或DVD而發出的衍射圖案可以測量光存儲介質中的凹坑間距。圖片版權:Scientific Explorations with Paul Doherty

這是因為在光存儲裝置中存在微小的凹坑,光點之間的距離與凹坑之間的間距相反。光點越近,距離越近,意味著設備可以容納的數據越少。如果您同時擁有CD和DVD,請查看DVD分離點與CD分離點之間的距離這是可能的,因為光的波動性。

TOP2、雷射筆和一縷頭髮

頭髮將其懸掛在兩點之間,留下從頭髮到空白牆的清晰路徑。把一個雷射筆照射在頭髮上,看看牆上出現了什麼?會看到一個明亮的黑暗條紋圖案,這是由於光線再次像波浪一樣起作用,類似於傳統的雙縫實驗,只有兩個邊緣(二維)而不是兩個狹縫。干涉圖樣由每個單獨的光子自身產生,並且連續的明亮的條紋之間的角度實際上測量你的頭髮的寬度,更密集的圖案意味著更濃密的頭髮。(頭髮的直接通常在20到160微米之間)

當雷射束照射到頭髮上並通過空間傳播時產生的干涉圖案不僅能展示光子干涉的量子效應,還能讓你測量頭髮的寬度。圖片版權:Frostbite Theater / Jefferson Lab

如果你曾經懷疑過光是一種波,那麼這是一種有趣且簡單的方法來證明它。

TOP3、手電筒和偏光太陽鏡

想要演示光是如何極化的,而且它具有電磁特性?還是想進一步看看量子加密是如何工作的?在黑暗的房間裡拿手電筒照到牆上。把你的手放在三個偏光濾鏡上(簡單便宜的方法就是從一副偏光太陽鏡中彈出鏡片)將其中的一個設置成讓光線通過它,然後在路徑中保持另一個過濾的光線。當旋轉第二個偏光鏡會看到光線變暗和變暗,而光線將會有一個點完全切斷。這就是你的偏振片彼此成直角(90°)取向的地方,通過第一偏振片的電場被第二片偏振片完全阻擋。

當通過偏振濾光鏡拍攝時,只有一部分光線(特定方向偏振的光線)透射,使我們能夠看到後窗玻璃(底部)的缺陷。圖片版權:Etan J. Tal /維基共享資源

但是如果你把第三個偏振器放在中間,旋轉它就可以把光傳送到最後!中間偏光器將允許一部分的光(部分電場與偏振器對齊),然後光到達最後的偏振器也會部分地通過這個光。這清楚地展示了光的電磁特性。為了演示量子加密,只需移除中間偏光器並控制第二偏振器的方向/旋轉。如果你將它們排列成完全有建設性的/破壞性的,或者是對角線/對角線的,那麼你將有一個不同的通信方案,但是原則上只用一個光子就可以發送信息。這是量子密碼方案的完美模擬。

線性偏振器將非偏振光束轉換為具有單一線性偏振的光束。所有波的垂直分量被傳輸,而水平分量被吸收和反射。圖片版權:Bob Mellish /英文維基百科

只要隨機產生一些信息,以確定偏振器是否在建設性/破壞性設置或對角線/反對角線設置中定向,則只有預期的接收者可以解碼信號;如果沒有鑰匙,闖入者將不得不打破量子密碼的密碼!量子宇宙可能比我們想像的更古怪,但是由於光的粒子狀和波浪狀的屬性,可以在我們自己的家裡設置演示來觀察這些量子效應。

TOP4、建立自己的雲室

你是否想用自己的眼睛看到量子粒子,以及他們在空中移動的軌跡?那麼不到100美元就可以在家看到它們都來自宇宙射線和放射源。所有你需要做的是建立一個雲室。你可能無法用自己的眼睛看到個別的亞原子粒子,因為我們眼睛可以感知到的光波長几乎不受它們的影響。但是如果用酒精製造出一種蒸汽 -

純異丙醇或乙醇等100%的酒精(任何低於90%的酒都不行!)快速移動的帶電粒子將創造一條你自己可以直觀看到的蹤跡!

為了獲得額外的放射性軌道,在雲室底部增加一個煙霧探測器的罩,觀察從它向外散發的緩慢移動的粒子。有些甚至會從底部反彈!圖片版權:NASA/GRC/Bill Bowles

方法如下:

1、首先獲得一個長方形的魚缸魚缸,堅固的密封圈,而且不會漏水

2、切下三大塊同樣大小的厚的絕緣泡沫:兩個有長方形的洞,大到足以讓魚缸套住,一塊為你的「基地」留下堅實的底部

3、切一塊與絕緣泡沫相同尺寸的鍍鋅鋼板。達到魚缸的大小,附加黑色卡片或磨砂黑色毛氈或噴塗啞光黑色油漆

4、把金屬板放在絕緣泡沫的兩個頂層之間,添加一個雙層的模型粘土,將水或一些酒精溶液加入凹槽中,這樣當將水箱放在凹槽上時,空氣不能進出

5、通過在魚缸底部添加一層氈或海綿樣的材料來保護魚缸

6、將一些乾冰置於絕緣泡沫的前兩層(實心底座和空心矩形)中,然後將金屬板(黑色側朝上)放在頂層上,然後放置最後一層絕緣泡沫。然後將水/酒精放入粘土槽中,同時用酒精溶液浸泡/浸透魚缸中的氈/海綿層。(專業提示:使用更多的酒精來浸泡毛氈/海綿層,比你認為的要好;不要在這裡吝嗇!)將魚缸翻轉過來,將邊緣放在金屬槽內,這樣就可以完全密封與酒精蒸氣在裡面。

6、關掉所有的燈,把它放在黑暗的房間裡,通過照射一個明亮的手電筒(或者放映機),把一個溫暖的(如摺疊的毛巾,從烘乾機里取出)放在水箱上面,然後等大約10分鐘。

而你對這項實驗的回報呢?你會看到過飽和的酒精蒸汽出現,並且朝著油箱的底部,你會開始在油箱裡每秒看到一個「痕跡」的形式:或多或少取決於油箱的大小。把煙霧探測器的地幔放在裡面,你會看到更多放射性的α粒子發射器,享受亞原子粒子在家裡的觀看。

光電效應詳細說明了電子是如何在單個光子的波長上被光子電離的,而不是光強或其他任何性質。圖片版權:Wolfmankurd /維基共享資源

TOP5、短波紫外線和聖誕樹金箔

有沒有聽說過一個叫愛因斯坦的傢伙?儘管最廣為人知的是相對論,質能方程E =

mc^2,但他實際上因為量子研究獲得了諾貝爾獎,現在被稱為光電效應現象。你可以讓這個效果在家裡發生!拿一些砂紙和一個空的鋁罐的外面打沙,然後或者用任何你喜歡的配置(靠近在一起比較好)將金屬絲帶子粘在上面,或者把一根銅線用膠帶粘在鋁罐和金屬絲上。把罐子和金屬絲放在隔熱的表面上,像聚苯乙烯泡沫塑料杯子,然後把充氣的氣球在你的襯衫上摩擦起電。現在觸摸它的金屬箔,應該得到一個負電荷,相互排斥。這種金屬箔看起來就像在范德格拉夫發電機上起電的人類頭髮。

如果你採取低質量的導電材料,並向它們施加相同類型的電荷,它們將相互排斥。對於人的頭髮來說也是如此,對於金屬絲也是如此。圖片版權:Biswarup Ganguly / Wikimedia Commons

將鋁罐上的短波紫外光發生器(需要有UV-C光)指向並打開。電子被踢開了,可以看到這個事實,金屬絲落下!如果使用可見光,紅外光,甚至是UV-A或UV-B光,則電子保持束縛。這是光電效應的一個例子,證明了它是每個單獨光子的能量,而不是整個光的強度決定了電離!

太陽的可見光譜不僅幫助我們理解它的溫度和電離,而且還幫助我們理解存在的元素的豐度。如果不了解量子物理學和各種能量的電子行為,我們就永遠無法理解恆星是如何工作的。圖片版權:Nigel Sharp,NOAO /基特峰國家太陽觀測站/ AURA / NSF

宇宙已經證明了自己不僅比我們想像的還要奇怪,而且它似乎比人類更難以想像。然而許多最違反直覺的現象,那些揭示了宇宙的量子性質的現象,可以在家裡以一個基本的方法來觀察。只要有一點點的設備、耐心和努力,就可以在自己的客廳里探索量子宇宙,而獎勵是對一個宇宙的第一手了解,即使是在一個世紀以前,歷史上最聰明的頭腦也永遠無法理解。今天你了解理解並知道了是多麼美好的一件事啊!

知識:科學無國界,博科園-科學科普

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

內容:「博科園」判定符合今主流科學

來自:Forbes science

編譯:光量子

審校:博科園

解答:本文知識疑問可於評論區留言

傳播:博科園


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