大众有五种方法能看到量子宇宙

发表于 讨论求助 2020-03-16 23:04:02

#宇宙#是由不可分割的超小量子粒子构成的革命性思想。除此之外,这些量子在某些情况下只能表现为粒子;在其它条件下表现得像波一样。这听起来不仅违反直觉,而且牵强。然而物理学家不相信任何事情……


大众有五种方法能看到量子宇宙

电子穿过双缝的波动模式图。如果你测量“哪个狭缝”电子穿过,你就破坏了这里显示的量子干涉图样。虽然这个实验需要一些精密的设备,但有很多方法可以在家里看到量子宇宙的影响。图片版权:Dr. Tonomura and Belsazar of Wikimedia Commons

宇宙是由不可分割的超小量子粒子构成的革命性思想。除此之外,这些量子在某些情况下只能表现为粒子;在其它条件下表现得像波一样。这听起来不仅违反直觉,而且牵强。然而物理学家不相信任何事情,同样是大自然的实际行为,这需要实验来验证。

如果没有大型的科学设备,比如使用一对偏振光的太阳眼镜,就可以在家里演示那些奇异的量子效应,这总是很有趣的。

有一些非常简单的方法可以同时享受...自然的波和粒子性质。有一些可以在家做的实验来亲眼看看!

TOP1、激光笔和CD / DVD /蓝光

有激光笔吗?有一个方便的CD,DVD或蓝光光盘?那么把激光倾斜(在一个陡峭的角度)在光盘上,你看到了什么?不要看光盘本身(也不要照射你的眼睛),而是看光的反射点,只有一个点吗?不是的,可能会有一堆,至少3三个,取决于你的激光束的宽度。

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通过使激光指示器穿过(通过刮掉铝片)CD或DVD而发出的衍射图案可以测量光存储介质中的凹坑间距。图片版权:Scientific Explorations with Paul Doherty

这是因为在光存储装置中存在微小的凹坑,光点之间的距离与凹坑之间的间距相反。光点越近,距离越近,意味着设备可以容纳的数据越少。如果您同时拥有CD和DVD,请查看DVD分离点与CD分离点之间的距离这是可能的,因为光的波动性。

TOP2、激光笔和一缕头发

将 头发将其悬挂在两点之间,留下从头发到空白墙的清晰路径。把一个激光笔照射在头发上,看看墙上出现了什么?会看到一个明亮的黑暗条纹图案,这是由于光线再次像波浪一样起作用,类似于传统的双缝实验,只有两个边缘(二维)而不是两个狭缝。干涉图样由每个单独的光子自身产生,并且连续的明亮的条纹之间的角度实际上测量你的头发的宽度,更密集的图案意味着更浓密的头发。(头发的直接通常在20到160微米之间)

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当激光束照射到头发上并通过空间传播时产生的干涉图案不仅能展示光子干涉的量子效应,还能让你测量头发的宽度。图片版权:Frostbite Theater / Jefferson Lab

如果你曾经怀疑过光是一种波,那么这是一种有趣且简单的方法来证明它。

TOP3、手电筒和偏光太阳镜

想要演示光是如何极化的,而且它具有电磁特性?还是想进一步看看量子加密是如何工作的?在黑暗的房间里拿手电筒照到墙上。把你的手放在三个偏光滤镜上(简单便宜的方法就是从一副偏光太阳镜中弹出镜片)将其中的一个设置成让光线通过它,然后在路径中保持另一个过滤的光线。当旋转第二个偏光镜会看到光线变暗和变暗,而光线将会有一个点完全切断。这就是你的偏振片彼此成直角(90°)取向的地方,通过第一偏振片的电场被第二片偏振片完全阻挡。

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当通过偏振滤光镜拍摄时,只有一部分光线(特定方向偏振的光线)透射,使我们能够看到后窗玻璃(底部)的缺陷。图片版权:Etan J. Tal /维基共享资源

但是如果你把第三个偏振器放在中间,旋转它就可以把光传送到最后!中间偏光器将允许一部分的光(部分电场与偏振器对齐),然后光到达最后的偏振器也会部分地通过这个光。这清楚地展示了光的电磁特性。为了演示量子加密,只需移除中间偏光器并控制第二偏振器的方向/旋转。如果你将它们排列成完全有建设性的/破坏性的,或者是对角线/对角线的,那么你将有一个不同的通信方案,但是原则上只用一个光子就可以发送信息。这是量子密码方案的完美模拟。

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线性偏振器将非偏振光束转换为具有单一线性偏振的光束。所有波的垂直分量被传输,而水平分量被吸收和反射。图片版权:Bob Mellish /英文维基百科

只要随机产生一些信息,以确定偏振器是否在建设性/破坏性设置或对角线/反对角线设置中定向,则只有预期的接收者可以解码信号;如果没有钥匙,闯入者将不得不打破量子密码的密码!量子宇宙可能比我们想象的更古怪,但是由于光的粒子状和波浪状的属性,可以在我们自己的家里设置演示来观察这些量子效应。

TOP4、建立自己的云室

你是否想用自己的眼睛看到量子粒子,以及他们在空中移动的轨迹?那么不到100美元就可以在家看到它们都来自宇宙射线和放射源。所有你需要做的是建立一个云室。你可能无法用自己的眼睛看到个别的亚原子粒子,因为我们眼睛可以感知到的光波长几乎不受它们的影响。但是如果用酒精制造出一种蒸汽 - 纯异丙醇或乙醇等100%的酒精(任何低于90%的酒都不行!)快速移动的带电粒子将创造一条你自己可以直观看到的踪迹!

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为了获得额外的放射性轨道,在云室底部增加一个烟雾探测器的罩,观察从它向外散发的缓慢移动的粒子。有些甚至会从底部反弹!图片版权:NASA/GRC/Bill Bowles

方法如下:

1、首先获得一个长方形的鱼缸鱼缸,坚固的密封圈,而且不会漏水

2、切下三大块同样大小的厚的绝缘泡沫:两个有长方形的洞,大到足以让鱼缸套住,一块为你的“基地”留下坚实的底部

3、切一块与绝缘泡沫相同尺寸的镀锌钢板。达到鱼缸的大小,附加黑色卡片或磨砂黑色毛毡或喷涂哑光黑色油漆

4、把金属板放在绝缘泡沫的两个顶层之间,添加一个双层的模型粘土,将水或一些酒精溶液加入凹槽中,这样当将水箱放在凹槽上时,空气不能进出

5、通过在鱼缸底部添加一层毡或海绵样的材料来保护鱼缸

6、将一些干冰置于绝缘泡沫的前两层(实心底座和空心矩形)中,然后将金属板(黑色侧朝上)放在顶层上,然后放置最后一层绝缘泡沫。然后将水/酒精放入粘土槽中,同时用酒精溶液浸泡/浸透鱼缸中的毡/海绵层。(专业提示:使用更多的酒精来浸泡毛毡/海绵层,比你认为的要好;不要在这里吝啬!)将鱼缸翻转过来,将边缘放在金属槽内,这样就可以完全密封与酒精蒸气在里面。

6、关掉所有的灯,把它放在黑暗的房间里,通过照射一个明亮的手电筒(或者放映机),把一个温暖的(如折叠的毛巾,从烘干机里取出)放在水箱上面,然后等大约10分钟。

而你对这项实验的回报呢?你会看到过饱和的酒精蒸汽出现,并且朝着油箱的底部,你会开始在油箱里每秒看到一个“痕迹”的形式:或多或少取决于油箱的大小。把烟雾探测器的地幔放在里面,你会看到更多放射性的α粒子发射器,享受亚原子粒子在家里的观看。

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光电效应详细说明了电子是如何在单个光子的波长上被光子电离的,而不是光强或其他任何性质。图片版权:Wolfmankurd /维基共享资源

TOP5、短波紫外线和圣诞树金箔

有没有听说过一个叫爱因斯坦的家伙?尽管最广为人知的是相对论,质能方程E = mc^2,但他实际上因为量子研究获得了诺贝尔奖,现在被称为光电效应现象。你可以让这个效果在家里发生!拿一些砂纸和一个空的铝罐的外面打沙,然后或者用任何你喜欢的配置(靠近在一起比较好)将金属丝带子粘在上面,或者把一根铜线用胶带粘在铝罐和金属丝上。把罐子和金属丝放在隔热的表面上,像聚苯乙烯泡沫塑料杯子,然后把充气的气球在你的衬衫上摩擦起电。现在触摸它的金属箔,应该得到一个负电荷,相互排斥。这种金属箔看起来就像在范德格拉夫发电机上起电的人类头发。

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如果你采取低质量的导电材料,并向它们施加相同类型的电荷,它们将相互排斥。对于人的头发来说也是如此,对于金属丝也是如此。图片版权:Biswarup Ganguly / Wikimedia Commons

将铝罐上的短波紫外光发生器(需要有UV-C光)指向并打开。电子被踢开了,可以看到这个事实,金属丝落下!如果使用可见光,红外光,甚至是UV-A或UV-B光,则电子保持束缚。这是光电效应的一个例子,证明了它是每个单独光子的能量,而不是整个光的强度决定了电离!

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太阳的可见光谱不仅帮助我们理解它的温度和电离,而且还帮助我们理解存在的元素的丰度。如果不了解量子物理学和各种能量的电子行为,我们就永远无法理解恒星是如何工作的。图片版权:Nigel Sharp,NOAO /基特峰国家太阳观测站/ AURA / NSF

宇宙已经证明了自己不仅比我们想象的还要奇怪,而且它似乎比人类更难以想象。然而许多最违反直觉的现象,那些揭示了宇宙的量子性质的现象,可以在家里以一个基本的方法来观察。只要有一点点的设备、耐心和努力,就可以在自己的客厅里探索量子宇宙,而奖励是对一个宇宙的第一手了解,即使是在一个世纪以前,历史上最聪明的头脑也永远无法理解。今天你了解理解并知道了是多么美好的一件事啊!

知识:科学无国界,博科园-科学科普

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)


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