Mecanica cuantică în viaţa de zi cu zi

Efectele ciudate care apar în mecanica cuantică (sau, în orice caz, multe dintre ele) sunt cauzate de caracteristica de undă a particulelor elementare, care în aceste cazuri este mult mai evidentă.

Există efecte ale mecanicii cuantice care pot fi observate în viaţa de zi cu zi sau acestea pot fi observate doar în laborator?

Atunci când ne referim în mod normal la un „comportament de tip particulă" trebuie să avem în vedere că acesta rezultă atunci când lungimea de undă a undelor despre care vorbim este foarte mică (în comparaţie cu ceea ce se află în jur) şi că aceste unde sunt „decoerente" (ceea ce înseamnă că frecvenţa, faza şi polarizarea variază destul de aleator de la un foton la următorul).

Pentru înţelegerea acestor evidenţe (unde este necesar să se aplice cunoştinţe de matematică) este nevoie de o pregătire teoretică anterioară, dar, ca exemplu, modul în care razele de lumină se propagă prin fante este condiţionat în totalitate de caracteristica de undă a luminii şi nu de faptul că aceasta este compusă din particule (n.t. fotoni).

S-ar părea că lumina Soarelui este formată din particule care se deplasează în linie dreaptă, dar în realitate nu avem nevoie de prezenţa unor particule pentru a descrie ce se întâmplă aici. Fantele din uşă sunt foarte mari în comparaţie cu lungimea de undă a luminii (cca. 0,01 m faţă de 0,0000005 m). Având suficient spaţiu pentru a coti undele de lumina vor continua să se propage în linie dreaptă datorită efectelor de interferenţă.

Din punct de vedere tehnic, tot ce există are ca fundament mecanica cuantică. Ceea ce noi considerăm a fi „mecanica clasică" este doar un caz special al mecanicii cuantice (un caz particular la scară mare, decoerent).

Dar nu acesta este subiectul întrebării ce stă la baza articolului de faţă.

Lumina este caracterizată de un comportament cuantic. Lungimea de undă De Broglie scade odată cu creşterea masei, dar cele mai uşoare particule au lungimi de undă asociate fantastic de mici (electronii au de obicei lungimi de undă de ordinul trilionimilor dintr-un metru), radiaţia electromagnetică putând avea lungimi de undă ce ajung până la ordinul milelor (undele radio). Observarea efectelor cuantice în cadrul materiei este dificilă, dar deoarece putem observa atât de evident aceste efecte în cadrul luminii le considerăm pe acestea ca fiind ceva normal.

Astfel, în afară de unele cazuri evidente, precum în chimie sau... în orice altceva, ceea ce urmează reprezintă câteva lucruri evident cuantice şi ondulatorii cu care v-aţi putea confrunta în această mare lume albastră. De asemenea, această listă este mai degrabă incompletă decât completă, aşa că eu sunt deschis la sugestii pentru a adăuga noi lucruri.

Tehnologia mai nouă de 50 ani

Există o mulţime de efecte consacrate şi binecunoscute (în comunitatea ştiinţifică) ale mecanicii cuantice care sunt utilizate în aproape fiecare dispozitiv special ce a fost conceput în ultimii patruzeci de ani. Vorbim aici despre lucruri cum ar fi laserele (statistica Bose-Einstein), diodele tunel (tunelare cuantică), LED-uri şi desigur lucruri exotice cum ar fi calculatoarele cuantice. Din păcate, aspectul cuantic al tehnologiei moderne este în general destul de bine ascuns şi prin urmare aceasta devine plictisitoare.

Utilizarea telefoanelor mobile în interiorul clădirilor (difuzia undelor)

Aţi utilizat vreodată cu succes un telefon mobil în timp ce vă aflaţi în interiorul unei clădiri? Undele radio sunt uriaşe, astfel încât caracteristica lor de undă este foarte evidentă. Ele pot ocoli anumite obstacole în calea lor (într-o oarecare măsură) şi pot, de asemenea, străbate materiale izolatoare. Este ceva mai complicat de explicat de ce undele radio (inclusiv cele destinate telefoanelor mobile, semnalelor wireless, etc.) se pot propaga chiar şi atunci când nu există nicio linie de vedere directă între emiţător şi receptor şi este şi mai dificil de explicat cum se pot propaga ele atunci când nu există nicio cale evidentă de propagare (de exemplu în cazul în care ne aflăm într-o cameră fără ferestre, cu uşa închisă). Aş vrea să pot spune că este vorba despre fenomenul de tunelare cuantică (pentru că ar fi minunat), dar nu aceasta este explicaţia. Este vorba despre ceva similar cu valurile lungi şi lente ale oceanului care determină ca barca voastră să se ridice şi să coboare pe acestea, dar în cazul unor valuri foarte scurte acestea sunt blocate de anumite lucruri cum ar fi barca voastră. Undele radio ajung să aibă dimensiunea unor clădiri şi atunci când ele se propagă împreună în lungul acestora în loc să se ciocnească pur şi simplu de pereţii lor sau să fie absorbite de acestea ele „amplifică şi reduc" câmpul electromagnetic din întreaga zonă. În acest fel este practic imposibil să descriem undele radio în termeni de particule.

Culori drăguţe (interferenţa în cazul filmului subţire)

Există un dispozitiv optic numit interferometrul „Fabry-Pérot" care utilizează fenomenul de interferenţă a undelor pentru a separa lumina având frecvenţe foarte, foarte apropiate ca valoare şi el este practic compus din doar două oglinzi. Filmele subţiri din materiale transparente imită interferometrul Fabry-Pérot.

O parte din lumină va fi reflectată de suprafaţa filmului, în timp ce o altă parte va trece prin acesta. În cazul în care lungimea în plus dintre cele 2 căi de propagare (linia roşie punctată) este un multiplu al lungimii de undă a luminii se va obţine o „interferenţă constructivă". Atunci când se va obţine o „interferenţă distructivă" nu va mai exista lumină reflectată la acel unghi.

Unghiurile de intrare şi de ieşire ale luminii ce corespund unei interferenţe constructive depind de grosimea filmului, materialul filmului şi culoarea luminii. În cazul în care lumina este „monocromă" (o singură culoare sau o singură lungime de undă, ca un laser), se obţin zone întunecate. Dacă lumina are mai multe culori diferite atunci zonele care sunt întunecate pentru anumite culori s-ar putea să nu fie întunecate pentru altele (ceea ce conduce la apariţia unor imagini drăguţe, precum se poate vedea mai jos).

Lumina poate fi reflectată înapoi sau poate trece mai departe prin pelicule subţiri, plate, transparente. Stânga sus: un laser verde şi o oglindă din sticlă. Dreapta sus: lumina Soarelui şi un film de ulei pe apă. Stânga jos: Diagrama traiectoriei pentru... Dreapta jos: „inelele lui Newton".

Uneori aceste efecte sunt greu de observat, dar puteţi vedea efecte similare în peliculele subţiri din bulele de săpun. În acest caz grosimea filmului tinde să se modifice rapid şi de aceea culorile din filmele de săpun au tendinţa de a se schimba atât de repede.

Bule de săpun, aceeaşi idee

Curcubeiele adevărate se formează printr-un proces diferit, dar ele în cele din urmă se bazează, de asemenea, tot pe caracteristica de undă a luminii. Explicaţia este doar puţin mai complicată.

Petele întunecate de pe suprafaţa lacurilor liniştite (unghiul Brewster şi lumina polarizată)

Această caracteristică este destul de greu de observat. În plus faţă de proprietatea de undă a luminii ea implică, de asemenea, fenomenul de polarizare al acesteia (care este un aspect fundamental care nu se manifestă în cazul particulelor). Polarizarea luminii afectează modul în care aceasta se reflectă de o suprafaţă (cum ar fi suprafaţa apei) şi modul în care ea se împrăştie într-un gaz (cum ar fi aerul). Dacă reuşiţi să vedeţi imaginea cerului reflectată de suprafaţa unui lac veţi observa că aceste efecte se combină, iar la un anumit unghi ele se luptă reciproc.

Dacă unghiul dintre lumina incidentă şi suprafaţa apei este de 37° atunci numai lumina polarizată orizontal va fi reflectată.

Cantitatea de lumină care se reflectă de pe o suprafaţă depinde de polarizarea luminii, de aceea s-au inventat ochelarii polarizaţi pentru conducătorii auto în scopul de a se reduce efectul de orbire. Dacă lumina polarizată vertical loveşte apa sub un unghi de aproximativ 37° atunci aceasta nu se va mai reflecta deloc (acesta se numeşte unghi „Brewster").

O hartă a polarizării cerului (sus). Polarizarea „cercurilor Soarelui" de culoare albastră din cer. Deci, dacă ţineţi în sus un polarizor orizontal sub Soare atunci acesta va putea fi observat în mod clar, dar dacă ţineţi polarizorul în sus pe partea Soarelui atunci acesta va apare întunecat (jos).

Din cauza modului în care lumina se împrăştie în aer, dacă vă îndreptaţi mâna către orice punct de pe cer (care nu se află pe direcţia Soarelui) şi vă întoarceţi palma spre Soare, atunci aceasta va fi aliniată cu direcţia de polarizare a luminii care vine din acea parte a cerului. Ca rezultat, chiar în timpul răsăritului şi a amurgului tot cerul este polarizat în direcţia nord-sud.

O consecinţă a acestui lucru este că dacă vă aflaţi în picioare la un unghi potrivit dimineaţa devreme sau la sfârşitul zilei şi cerul (nu Soarele) este sursa voastră principală de lumină atunci ecranul ceasului vostru digital poate fi negru. O altă consecinţă ar fi că dacă vă uitaţi la cer într-un lac liniştit, la un unghi de aproximativ 37° faţă de nivelul acestuia, în timpul zorilor sau la asfinţit, atunci în timp ce priviţi spre nord sau spre sud veţi observa că cerul nu se reflectă deloc pe suprafaţa lacului şi că aceasta este neagră.

Din anumite motive îmi place acest exemplu, în parte pentru că bănuiesc că acest efect i-a surprins teribil pe pescarii ocazionali care au observat acest lucru de-a lungul mileniilor. Cu toate acestea, la fel ca şi razele laser de culoare verde, şi acesta este unul dintre acele efecte care nu este chiar un exemplu de zi cu zi.

Imaginea uşii din articol este de aici, imaginea filmului de ulei este de aici, imaginea bulei de săpun şi o descriere a modului în care aceasta a fost obţinută poate fi găsită aici, imaginea reflexiei luminii este de aici, iar imaginea laserului verde mi-a fost transmisă de către un cititor ca ataşament la o întrebare. Harta polarizării cerului este din această lucrare, în care se prezintă modalitatea prin care albinele utilizează această polarizare pentru a se orienta în zbor. Acest lucru merită subliniat din nou: multe specii de insecte pot vedea literalmente polarizarea luminii.