Una curiosa guía de observación de la mecánica cuántica, pt. 2: el crisol de fusión de partículas

¡Bienvenido de nuevo a nuestro segundo paseo guiado por los bosques de la mecánica cuántica! La semana pasada, vimos cómo las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas y cómo una sola partícula sigue múltiples caminos. Aunque es sorprendente, esta es un área bien explorada de la mecánica cuántica: se encuentra en el camino pavimentado natural alrededor del centro de visitantes.

Esta semana, me gustaría salir del camino pavimentado y adentrarme un poco más en el bosque para hablar sobre cómo las partículas se fusionan y combinan en movimiento. Este es un tema generalmente reservado para los graduados en física; Rara vez se comenta en artículos populares. Pero la recompensa es entender cómo funciona el manejo de precisión y ver salir del laboratorio uno de los grandes inventos, el peine óptico. Entonces, ensuciemos un poco nuestras botas (cuánticas), valdrá la pena.

Dos partículas

Comencemos con una pregunta: si las partículas se mueven como ondas, ¿qué sucede cuando superpongo los caminos de dos partículas? O para decirlo de otra manera, ¿las ondas de partículas simplemente interactúan entre sí o se mezclan?

Podemos probar esto en el laboratorio modificando la configuración que usamos la semana pasada. En lugar de dividir la luz de un láser en dos trayectorias, podemos usar dos láseres separados para crear la luz que entra en el espejo plateado final.

Debemos tener cuidado con los láseres que utilizamos y la calidad de su puntero láser ya no está a la altura. Si mide con cuidado la luz de un láser normal, el color de la luz y la fase de la onda (cuando ocurren los picos de onda) varían. Esta variación de color no es perceptible para nuestros ojos, el láser todavía se ve rojo, pero el tono exacto de rojo varía. Este es un problema que el dinero y la tecnología moderna pueden solucionar: si desembolsamos suficiente dinero, podemos comprar láseres bloqueados con precisión. Gracias a ellos, podemos tener dos láseres emitiendo fotones del mismo color con crestas de onda alineadas en el tiempo.

Cuando combinamos la luz de dos láseres de alta calidad, vemos exactamente el mismo patrón de rayas que vimos antes. ¡Las ondas de partículas producidas por dos láseres diferentes están interactuando!

Entonces, ¿qué sucede si volvemos al límite de un solo fotón? Podemos disminuir la intensidad de los dos láseres tan bajo que veremos que los fotones aparecen uno a la vez en la pantalla, como pequeñas bolas de pintura. Si la velocidad es lo suficientemente baja, solo existirá un fotón entre los láseres y la pantalla a la vez. Cuando realicemos este experimento, veremos que los fotones llegan a la pantalla uno a la vez; pero cuando miramos el cuadro de puntillismo acumulado, veremos las mismas rayas que vimos la semana pasada. Una vez más, estamos viendo la interferencia de una sola partícula.

Resulta que todos los experimentos que realizamos antes dan exactamente la misma respuesta. A la naturaleza no le importa si una partícula está interactuando consigo misma o si dos partículas están interactuando entre sí: una onda es una onda y las ondas de partículas actúan como cualquier otra onda.

Pero ahora que tenemos dos láseres de precisión, tenemos una serie de nuevos experimentos que podemos probar.

Dos colores

Primero, intentemos interferir fotones de diferentes colores. Tomemos el color de uno de los láseres y hagámoslo un poco más azul (longitud de onda más corta). Cuando miramos la pantalla, vemos rayas nuevamente, pero ahora las rayas se mueven lentamente hacia los lados. Tanto el aspecto de las rayas como su movimiento son interesantes.

Primero, el hecho de que veamos rayas indica que aún interactúan partículas de diferente energía.

La segunda observación es que el patrón de rayas ahora depende del clima; las rayas se mueven hacia los lados. A medida que aumentamos la diferencia de color entre láseres, aumenta la velocidad de las rayas. Los músicos de la audiencia ya reconocerán el patrón de ritmo que estamos viendo, pero antes de llegar a la explicación, mejoremos nuestra configuración experimental.

Si nos conformamos con usar rayos láser estrechos, podemos usar un prisma para combinar los rayos de luz. Un prisma se usa generalmente para dividir un solo haz de luz y enviar cada color en una dirección diferente, pero podemos usarlo al revés y, con una alineación cuidadosa, usar el prisma para combinar la luz de dos láseres en un solo haz.

Si miramos la intensidad del rayo láser combinado, veremos la intensidad del ‘latido’ de la luz. Si bien la luz de cada láser era constante, cuando se combinan sus rayos con colores ligeramente diferentes, el rayo resultante oscila de brillante a oscuro. Los músicos reconocerán esto afinando sus instrumentos. Cuando el sonido de un diapasón se combina con el sonido de una cuerda ligeramente desafinada, puede escuchar los ‘latidos’ mientras el sonido oscila entre alto y bajo. La velocidad de batido es la diferencia de frecuencias y la cuerda se afina ajustando la velocidad de batido a cero (diferencia cero de frecuencia). Aquí, estamos viendo lo mismo con la luz: la frecuencia de pulsación es la diferencia de color entre láseres.

Si bien esto tiene sentido cuando piensa en cuerdas de instrumentos, es bastante sorprendente cuando piensa en fotones. Comenzamos con dos corrientes de luz constantes, pero ahora la luz se agrupa en momentos en que es brillante y en momentos en que es débil. A medida que aumenta la diferencia entre los colores de los láseres (están desajustados), más rápido se vuelve el pulso.

Paintballs a tiempo

Entonces, ¿qué pasará si volvemos a bajar los láseres? Nuevamente, vemos que los fotones golpean nuestro detector uno a la vez, como pequeñas bolas de pintura. Pero, si miramos detenidamente el momento en que llegan los fotones, veremos que no es aleatorio, llegan a tiempo con los latidos. No importa qué tan bajo bajemos los láseres, los fotones pueden ser tan raros que solo aparecen una vez cada 100 latidos, pero siempre llegarán a tiempo con los latidos.

Este patrón es aún más interesante si comparamos el tiempo de llegada de los fotones en este experimento con las rayas que vimos con nuestro puntero láser la semana pasada. Una forma de entender lo que está sucediendo en el experimento de dos rendijas es imaginar la naturaleza ondulante de la mecánica cuántica, dirigiendo dónde pueden aterrizar los fotones uno al lado del otro: las bolas de pintura pueden llegar a las regiones claras y no a las oscuras. Vemos un patrón similar en la llegada de paintball en el haz de dos colores, pero ahora las bolas de pintura se dirigen hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y solo pueden batir al mismo tiempo que los golpes. Los latidos pueden considerarse rayas en el tiempo.