Ciencias

Una curiosa guía para el observador de la mecánica cuántica, parte 6: Dos fantasmas 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 cotidiana. En el pasado, los efectos cuánticos se limitaban a los laboratorios de física y a 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 aumentará en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la hercúlea tarea de explicar la mecánica cuántica a los laicos 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 lugar.

A lo largo de nuestras aventuras cuánticas hasta ahora, hemos visto muchos efectos cuánticos interesantes. Entonces, para nuestra última gira importante, nos aventuraremos en un rincón particularmente aterrador del bosque cuántico: hoy, veremos entrelazamiento y orden de medida.

Juntos, estos dos conceptos crean algunos de los efectos más contradictorios de la mecánica cuántica. Son tan contradictorios que este es probablemente un buen momento para enfatizar nuevamente 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 me ha parecido extraño y aterrador el mundo de los espías y el espionaje, por lo que puede ser apropiado que una de las aplicaciones de las que estamos hablando hoy sea la criptografía. Pero hay mucho que revisar antes de llegar allí.

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Jugando bajo el sol

Después de una larga caminata a través de un bosque cada vez más oscuro y lúgubre, árboles retorcidos y enredaderas, emergimos inesperadamente en un prado brillando bajo el sol brillante. Parpadeando a la luz, nos quitamos nuestras gafas de sol polarizadas.

Las lentes de las gafas de sol polarizadas están polarizadas en dirección vertical, lo que significa que cuando se usan normalmente, permiten el paso de la luz polarizada verticalmente, pero bloquean completamente la luz polarizada horizontalmente. Esto es ventajoso porque la luz que parpadea en el agua está polarizada principalmente horizontalmente; una lente que solo permita el paso de luz polarizada verticalmente reducirá en gran medida el deslumbramiento reflejado.

Sospechando del hermoso sol en nuestro misterioso claro, comenzamos a mirar a través de varios pares de gafas de sol. Mirar 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. Haremos un diagrama de los resultados que verías, pero si puedes juntar tres pares de gafas de sol polarizadas, podrás realizar todos los experimentos de este artículo en casa.

¿Qué ves cuando miras a través de dos gafas de sol polarizadas?  Cada lente polarizada solo deja pasar la luz polarizada en la dirección de la flecha en la sien.  Todas las lentes dejarán pasar la mitad de la luz no polarizada (el tono gris medio).  Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos cristales, la orientación relativa de los cristales es importante.  A la izquierda, ambas lentes dejan entrar luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa por la primera lente también pasa por la segunda.  Por el contrario, a la derecha, las ventanas traseras están giradas para permitir que pase solo la luz polarizada horizontalmente, que está completamente bloqueada por las ventanas delanteras.  Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 ° entre sí, la mitad de la luz a través del primer par de gafas pasará a través del segundo par (1/2 x 1/2 = 1/4 de la luz de fondo).
Ampliar / ¿Qué ves cuando miras a través de dos gafas de sol polarizadas? Cada lente polarizada solo deja pasar la luz polarizada en la dirección de la flecha en la sien. Todas las lentes dejarán pasar la mitad de la luz no polarizada (el tono gris medio). Pero cuando la luz tiene que atravesar ambos cristales, la orientación relativa de los cristales es importante. A la izquierda, ambas lentes dejan entrar luz polarizada verticalmente, por lo que toda la luz que pasa por la primera lente también pasa por la segunda. Por el contrario, a la derecha, las ventanas traseras están giradas para permitir que pase solo la luz polarizada horizontalmente, que está completamente bloqueada por las ventanas delanteras. Si sostiene las gafas en un ángulo de 45 ° entre sí, la mitad de la luz a través del primer par de gafas pasará a través del segundo par (1/2 x 1/2 = 1/4 de la luz de fondo).

Marcador de posición de Miguel Morales

Si sostienes dos pares de gafas frente a ti y giras uno de los pares, notarás 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 a un lado) casi no pasa la luz. La visión combinada a través de las lentes aparecerá casi completamente negra; para lentes polarizadas realmente buenas, serán casi completamente oscuras. Por otro lado, cuando se mantienen en la misma orientación, dejan entrar casi la misma cantidad de luz que solo un par de anteojos (con lentes de buena polarización mantenidos en perfecta alineación, esto es exactamente cierto).

Esto es muy sencillo de entender. Si las dos gafas se mantienen en posición vertical, el primer par de gafas solo dejará pasar la luz vertical. Dado que el segundo par también permite que pase la luz vertical, no tiene nada que bloquear; toda la luz que pasó por el primer par también pasará por el segundo. Por otro lado, si sostenemos el primer par de lado para que solo pase la luz horizontal y sostenemos el segundo par normalmente para que bloquee la luz horizontal, entonces no hay luz que pueda atravesar ambos. Juntos, se ven muy oscuros. Y si sostienes los vasos en un ángulo de 45 ° entre ellos, es intermedio; la mitad de la luz que atraviesa el primer par de gafas atraviesa el segundo.

Solo importa la orientación entre las lentes, no cómo están orientadas hacia el medio ambiente.
Ampliar / Solo importa la orientación entre las lentes, no cómo están orientadas hacia el medio ambiente.

Marcador de posición de Miguel Morales

Es solo el ángulo entre los lentes lo que importa. Si elegimos una orientación relativa, como crossover, y giramos las dos lentes juntas, veremos que la opacidad sigue siendo la misma. Las gafas con marco verde de la derecha se mantienen a ± 45 ° verticalmente, pero como el primer par deja que la luz polarizada pase 45 ° a la izquierda de la vertical, toda la luz se bloquea.

Todo parece tener sentido. Pero luego recuerdas que esto es mecánica cuántica, y la siniestra música 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 lentes cruzados, agregamos una lente diagonal detrás de ellos.
Ampliar / Comenzando con lentes cruzados, agregamos una lente diagonal detrás de ellos.

Marcador de posición de Miguel Morales

Comenzaremos con dos copas cruzadas, como se muestra a la izquierda. A continuación, agregaremos una tercera lente orientada a 45 ° detrás los dos que ya teníamos. En un examen más detenido, esto se comporta como se esperaba. Dondequiera que se bloqueen las gafas originales, la luz permanece negra. En las esquinas 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 noticias, vemos que la región donde la luz debe pasar a través de las tres lentes también son negras.

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

Marcador de posición de Miguel Morales

Pero vemos algo notable si reorganizamos las gafas. Empezamos de nuevo con las lentes cruzadas, pero ahora deslizamos las lentes de 45 ° entre ellos. Cuando hacemos esto, la luz pasa por donde se superponen las tres lentes. Cuando solo dos lentes se superponen, obtenemos los resultados esperados: negro para cruzar y teñido para una orientación relativa de 45 °. Pero a pesar de que las lentes delantera y trasera están cruzadas y normalmente no dejan pasar la luz, si se interpone otra lente con polarización intermedia, de repente la luz puede pasar.

Eso es extraño. LA orden de problemas de gafas. Si está mirando en casa, intente invertir el orden de las lentes. Si las lentes cruzadas están cerca una de la otra en la pila, casi no pasa luz. Pero si cambia entre marcos azules (horizontal / vertical) y verdes (± 45 °), pasará un poco de luz.

Prudencia Febo

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