Довідник допитливого спостерігача з квантової механіки, пт. 4: Погляд на зірки

Аурік Лоусон / Getty Images

Одна з найтихіших революцій З нашого поточного століття квантова механіка увійшла в наші повсякденні технології. Раніше квантові ефекти обмежувались лише лабораторіями фізики та мікроскопічними експериментами. Але сучасна технологія все більше покладається на квантову механіку для своїх фундаментальних процесів, і квантові ефекти лише збільшаться у найближчі десятиліття. Таким чином, фізик Мігель Ф. Моралес взяв на себе важке завдання пояснити квантову механіку решті нас, нормальних людей, у цій серії із семи частин (без математики, ми обіцяємо це). Нижче – четверта історія серії, але ви завжди можете її знайти Початок історії більше ніж Цільова сторінка для всієї серії до цих пір Активний.

Красиві телескопічні зображення нашого Всесвіту часто асоціюються з грандіозною класичною фізикою Ньютона. Поки квантова механіка домінує в мікроскопічному світі атомів і кварків, рухи планет і галактик слідують за величним годинниковим механізмом класичної фізики.

Але природної межі розміру кількісних ефектів немає. Якщо ми уважно розглянемо зображення, створені телескопами, ми побачимо ознаки квантової механіки. Це тому, що частинки світла повинні подорожувати величезними просторами простору хвилеподібно, щоб утворитися Красиві картини ми насолоджуємось.

Цього тижня ми зосередимося на тому, як фотони подорожують крізь світлові роки, і як властива їм довжина квантової хвилі дає можливість сучасним телескопам, включаючи телескопи інтерферометра розміром із Землю.

Зоряне світло

Як нам думати про світло від далекої зірки? Минулого тижня ми використовували аналогію скидання камінчика в озеро з кільцем бриж на воді в русі, подібному до руху хвильових фотонів. Це вимірювання допомогло нам зрозуміти довжину пульсацій частинок і те, як фотони перекриваються і з’єднуються.

READ  Чи може людина зайти в чорну діру, щоб вивчити її?

Ми можемо продовжити цю аналогію. Кожна зірка схожа на Сонце тим, що вона зроблена Багато З фотонів. На відміну від того, хто обережно кидає одну гальку в гладкозеркальне озеро, відчувається, що висипає камінчики у відро з галькою. Кожен камінчик створює кільце бриж, а брижі розповзаються з кожного каменю, як і раніше. Але брижі зараз постійно змішуються і перекриваються. Дивлячись, як хвилі прямують до далекого берега Землі, ми не бачимо брижі від кожного камінчика окремо; Натомість суміш декількох окремих хвиль була додана разом.

Хаотичні хвилі від гравійної зірки, що перетинає ставок.  Брижі багатьох камінців перекриваються, створюючи складний набір хвиль.
Збільшувати / Хаотичні хвилі від гравійної зірки, що перетинає ставок. Брижі багатьох камінців перекриваються, створюючи складний набір хвиль.

Фотографія Мігеля Моралеса

Тож уявімо, що ми стоїмо на березі озера, поки хвилі омиваються, і дивимось на нашу «зоряну» гальку телескопом водяних хвиль. Об’єктив телескопа фокусує хвилі від зірки в пляму: місце на датчику камери, куди падає світло від цієї зірки.

Якби ще одне відро гальки було скинуто в озеро вздовж протилежного берега, брижі будуть перекриватися на нашому березі, але будуть сфокусовані телескопом у двох різних точках на детекторі. Подібним чином телескоп може розділити світло від зірок на дві різні групи – фотони зірки А та фотони зірки В.

Але що, якщо зірки так близько один до одного? Більшість “зірок”, які ми бачимо вночі, насправді є подвійними зірками – двома сонечками, які дуже близько один до одного виглядають як одна яскрава крапля світла. Перебуваючи у віддалених галактиках, зірки можна розділити світловими роками, але вони виглядають як єдине пляма у професійних телескопах. Нам знадобиться телескоп, який зможе якось сортувати фотони, створені різними зірками, для його розв’язання. Подібні речі застосовуються, якщо ми хочемо зобразити такі об’єкти, як сонячні плями або світяться Поверхня зірки.

READ  Earth is spinning as fast as it has been for decades; Here's how scientists tackle this problem

Повернувшись до озера, у пульсаціях, створених різними камінчиками, немає нічого особливого – брижі, створені одним камінчиком, неможливо відрізнити від бриж, створених іншим. Нашому хвильовому телескопу байдуже, чи брижі вийшли з різних камінчиків в одному відрі, або зовсім з різних відрів – брижа – це брижа. Питання полягає в тому, як далеко слід опустити дві гальки, щоб наш телескоп міг розрізнити, що брижі прийшли з різних місць?

Іноді, коли ви розгублені, найкраще повільно гуляти вздовж пляжу. Тож у нас будуть двоє друзів, які сидять на дальньому березі і кидають камінчики, коли ми йдемо вздовж берега, дивимося на хвилі та споглядаємо глибокі думки. Прогулюючись уздовж пляжу, ми бачимо, що хвилі наших друзів перекриваються скрізь, і хвилі приходять хаотично. Здається, шаблону немає.

Однак при детальному розгляді ми помічаємо, що плями на березі дуже близько один до одного бачать майже однакові хвилі. хвилі вона Випадкові за часом, але місця на пляжі за декілька кроків бачать файл Сам Випадковий шлейф хвиль. Але якщо ми подивимося на хвилі, що б’ються на березі, то цей хвильовий потяг сильно відрізняється від хвилі, що б’є поблизу нас. Будь-які два місця на пляжі, які знаходяться близько один до одного, бачитимуть майже однакові хвильові поїзди, але широко розкидані місця на березі побачать різні хвильові поїзди.

Це має сенс, якщо ми думаємо про хвилі на пляжі як про суміш дрібних бриж із сотень гальки. У місцях, розташованих неподалік від пляжу, камінчикові брижі, випущені двома друзями однаково. Але далі від берега брижі від друга мали б їхати далі, тож брижі накопичуються по-іншому, даючи нам новий поїзд.

Поки ми більше не бачимо окремих камінчикових брижів, коли вони поєднуються у хвилях, ми можемо пришвидшити, наскільки далеко нам потрібно йти, щоб побачити новий потяг хвилі. І це говорить нам дещо про те, як брижі об’єднуються.

Ми можемо підтвердити це, попросивши наших друзів, які кидають гальку, наблизитися один до одного. Коли наші друзі знаходяться близько один до одного, ми помічаємо, що нам доводиться пройти велику відстань уздовж нашого берега, щоб побачити, як брижі нарощуються по-іншому. Але коли наші хлопці розлучені, кілька кроків на нашому березі змусять серфінгові поїзди виглядати інакше. Визначивши відстань, яку нам потрібно пройти, перш ніж хвилі виглядають по-іншому, ми можемо визначити, наскільки далеко знаходяться наші друзі, що кидають гальку.

Великі та малі телескопи дивляться на однакові дві зірки.  Оскільки хвилі по-різному виглядають на далеких краях Великого телескопа, вони можуть сортувати хвилі за двома джерелами.  Для маленького телескопа хвилі виглядають подібними крізь лінзу, тому ви бачите дві зірки як одне невирішене джерело.
Збільшувати / Великі та малі телескопи дивляться на однакові дві зірки. Оскільки хвилі по-різному виглядають на далеких краях Великого телескопа, вони можуть сортувати хвилі за двома джерелами. Для маленького телескопа хвилі виглядають подібними крізь лінзу, тому ви бачите дві зірки як одне невирішене джерело.

Фотографія Мігеля Моралеса

Той самий ефект відбувається з фотонними хвилями, які можуть допомогти нам зрозуміти точність телескопа. Дивлячись на віддалену двійкову зірку, якщо світлові хвилі, що надходять на протилежні краї телескопа, виглядають по-різному, телескоп може розділити фотони на дві різні групи – фотони зірки А і фотони зірки В. Але якщо світлові хвилі входять протилежні краї телескопа схожі, тоді ні. Телескоп не може довше сортувати фотони на дві групи, і двійкова зірка буде виглядати як одне пляма для нашого телескопа.

Якщо ви хочете вирішити близькі предмети, очевидне, що ви повинні зробити, це збільшити діаметр телескопа. Чим далі краї телескопа, тим більше зірок можна розрізнити. Більші телескопи мають кращу роздільну здатність і роздільну здатність, ніж менші телескопи, і вони можуть відокремлювати світло від близькоспоріднених джерел. Це одна з ідей побудови справді масивних телескопів діаметром 30 або навіть 100 метрів – чим більший телескоп, тим краща точність. (Це завжди справедливо в космосі, і це правда на Землі, використовуючи адаптивну оптику для виправлення атмосферних спотворень.)

Для великих телескопів це дійсно краще.

You May Also Like

About the Author: Monica Higgins

"Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер"

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *