量子力学的好奇观察者指南,Pt。 6:两个量子鬼
1312字
2021-02-19 12:28
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火星译客

纠缠和测量顺序时间-

证明我们对世界的认识比预期的要少

米格尔·莫拉莱斯Miguel Morales) -2021年2月14日,世界标准时间

量子力学的好奇观察者指南,Pt。 6:两个量子鬼

Aurich Lawson /盖蒂图片社

本世纪最安静的革命之一是量子力学进入我们的日常技术。过去,量子效应仅限于物理实验室和精细的实验。但是现代技术的基本操作越来越依赖于量子力学,并且量子效应的重要性只会在未来的几十年中增长。因此,物理学家米格尔·莫拉莱斯(Miguel F. Morales)承担了艰巨的任务,在这个由七个部分组成的系列文章中,向非专业人员解释了量子力学(我们保证不会提供数学方法)。以下是该系列的第六个故事,但是您始终可以在现场找到整个系列的开始故事以及登录页面

在迄今为止的量子冒险中,我们已经看到了许多有趣的量子效应。因此,对于我们的最后一次主要旅行,让我们冒险进入量子木的一个特别令人毛骨悚然的角落:今天,我们将看到纠缠测量顺序

这两个概念共同构成了量子力学中一些最违反直觉的效应。他们是如此违反直觉,以至于现在可能是一个很好的时机,再次强调本系列中没有任何内容是投机性的—我们所看到的一切都得到了数百个观察结果的支持。有时世界比我们预期的要陌生。

我一直认为间谍和间谍活动的世界是陌生和诡异的,所以我们今天谈论的应用之一是密码学也许是合适的。但是,在我们到达那里之前,还有很多事情要做。

在阳光下玩

在漫长的黑暗和阴暗的森林中长途跋涉之后,粗糙的树木滴落着藤蔓,我们出乎意料地变成了在明媚的阳光下闪闪发光的草地。在灯光下闪烁,我们拉出偏光太阳镜。

偏光太阳镜的镜片在垂直方向上是偏振的,这意味着在正常佩戴时,它们可以使垂直偏振的光通过,但会完全阻挡水平偏振的光。这是有利的,因为从水中闪烁的光大部分是水平偏振的。仅允许垂直偏振光通过的透镜将大大减少反射的眩光。

我们对神秘的林间空地中美丽的阳光有些怀疑,我们开始透过多副墨镜寻找。同时斜视两三副太阳镜会让您看起来很荒谬,但这就是我们为科学所做的牺牲。我们将以图表形式显示您将看到的结果,但是如果您可以将三副偏光太阳镜紧紧绑在一起,则可以在家中执行本文中的所有实验。

透过两副偏光太阳镜看时,您会看到什么。每个偏光镜片仅允许在镜腿上的箭头方向上偏振的光通过。所有镜头都会让一半的非偏振光通过(中等灰色调)。但是,当光必须穿过两个眼镜时,眼镜的相对方向就很重要。在左侧,两个透镜都让垂直偏振光通过,因此穿过第一透镜的所有光也将穿过第二透镜。相比之下,在右侧,后部的眼镜旋转以仅让水平偏振光通过,而水平偏振光完全被前部眼镜阻挡。如果您将眼镜彼此相对成45度角,则穿过第一副眼镜的光的一半将穿过第二副眼镜(1/2 x 1/2 = 1/4的背景光) 。

放大/透过两副偏光太阳镜观看时所见。每个偏光镜片仅允许在镜腿上的箭头方向上偏振的光通过。所有镜头都会让一半的非偏振光通过(中等灰色调)。但是,当光必须穿过两个眼镜时,眼镜的相对方向就很重要。在左侧,两个透镜都让垂直偏振光通过,因此穿过第一透镜的所有光也将穿过第二透镜。相比之下,在右侧,后部的眼镜旋转以仅让水平偏振光通过,而水平偏振光完全被前部眼镜阻挡。如果您将眼镜彼此相对成45度角,则穿过第一副眼镜的光的一半将穿过第二副眼镜(1/2 x 1/2 = 1/4的背景光) 。

Miguel Morales的图片

如果您将两副眼镜放在您面前,然后旋转其中一副,您会注意到穿过的光量变化很大。当眼镜成90°角时(例如,一副眼镜正常握持,另一副眼镜侧向摆放),几乎没有光会通过。透过镜头的组合视图将看起来几乎是全黑的-对于真正优质的偏光镜片,它们将变成几乎焊接玻璃的黑暗。相反,当以相同的方向固定时,它们可以让几乎与单独一副眼镜透过的光量相等(通过良好的偏光镜保持完美对准,这是正确的)。

这很容易理解。如果两副眼镜都垂直放置,则第一副眼镜只能让垂直光通过。由于第二对光线也可以穿过垂直光线,因此它没有任何阻挡-穿过第一对光线的所有光线也将穿过第二对光线。相反,如果我们将第一对保持侧面,使其仅通过水平光,而正常地保持第二对,从而阻挡水平光,则没有光可以通过两者。在一起,它们显得很暗。而且,如果您将眼镜彼此成45°角夹着,那是中间的情况;穿过第一副眼镜的光的一半穿过第二副眼镜。

仅镜头之间的方向很重要,而与环境的方向无关。

放大/仅镜头之间的方向很重要,而不是它们相对于环境的方向。

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只是镜头之间的角度很重要。如果我们选择相对的方向(例如交叉),然后将两个镜头一起旋转,我们将看到不透明度保持不变。右侧的绿框眼镜与垂直方向成±45°,但由于第一副眼镜让垂直于左侧的45°偏振的光穿过,因此所有光都被阻挡。

这一切似乎都是有道理的。但是,您还记得这是量子力学,不祥的电影音乐开始在后台播放。让我们添加第三副眼镜。为了使所有方向保持笔直,我们将始终将蓝色框用于水平/垂直方向,将绿色框用于±45°方向。

从交叉透镜开始,我们在它们后面添加对角线透镜。

放大/从交叉镜头开始,我们在其后添加对角线镜头。

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我们将从两个交叉的眼镜开始,如左图所示。然后,我们将在我们已经拥有的两个镜头后面添加第三个45度角的镜头。经过仔细检查,其行为符合我们的预期。原始眼镜挡住的任何地方,光线仍然是黑色的。在没有完全重叠的小角上,光线穿过45°透镜和其他透镜之一,我们得到的色泽稍暗,如图1所示。如果我们观察一下新特性,就会发现该区域光线必须穿过所有三个镜头的地方也是黑色。

重新排列眼镜的顺序有很大的不同。

放大/重新排列眼镜的顺序有很大的不同。

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但是,如果我们重新订购眼镜,我们会发现一些非凡的东西。我们再次从交叉眼镜开始,但现在它们之间滑动45°镜头。当我们这样做时,光线穿过所有三个透镜重叠的位置。在只有两个透镜重叠的地方,我们可以得到预期的结果-黑色为十字形,着色为45°相对方向。但是,即使前镜片和后镜片交叉并且通常不会让任何光线通过,但是如果您插入另一个具有中间偏振的镜片,则突然会有光线通过。888

真奇怪眼镜的顺序很重要。如果您在家中跟随,请尝试翻转镜头的顺序。如果交叉的镜头在堆叠中彼此相邻,则几乎没有光通过。但是,如果您在蓝色(水平/垂直)和绿色(±45°)帧之间切换,则有些光线会通过。

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