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La polarización y la cuántica en Órbita Laika

El amigo Antonio Martínez Ron @aberron ha jugado con polarizadores en Órbita Laika.  Y ha mostrado un maravilloso efecto que aparece cuando superpones tres de esos bichos.  Aquí la explicación cuántica :)

La luz está compuesta por fotones y estos fotones tienen una característica que se denomina helicidad (que es el análogo del espín, lo que pasa es que en partículas sin masa se usa la otra palabra por cuestiones técnicas, esto solo lo digo por información). Esto es el origen de la polarización de la luz.

Los polarizadores son materiales que solo dejan pasar luz polarizada de una determinada manera. Sigue leyendo para empaparte del tema :)

Helicidad del fotón

Lo primero, representaremos un fotón

foton

Los fotones son partículas que se mueven siempre a la velocidad de la luz (como no puede ser de otra manera porque son las partícula de luz) cuando están en el vacío y aproximadamente en el aire.

fotonmovimiento

El fotón tiene una helicidad (espín) que podemos considerarlo pedestremente como una oscilación alrededor de la dirección de movimiento.

Si vemos un fotón venir hacia nosotros los estados de helicidad básicos serían vertical y horizontal respecto a su dirección de movimiento y nuestra línea de observación:

helicidad

Esto se puede representar de la siguiente forma:

|Fotón Vertical>                         |Fotón Horizontal>

polarizacionvertical

Ahora ponemos un polarizador en disposición vertical respecto a la dirección de movimiento de la luz incidente:

polvertfoton

El resultado es que todos los fotones pasan sin problemas.

Si giramos el polarizador 90º el resultado, como y sabes, es que no pasa ningún fotón. Se bloquea la luz.

bloqueohorizontal

Pasaría lo mismo si empezamos con luz polarizada horizontalmente. Si el polarizador está vertical no pasa luz y si está horizontal deja pasar toda esa luz.

El juego de los dos polarizadores

Hasta ahora hemos hablado solo de dos estados de helicidad/polarización de los fotones, el vertical y el horizontal. Y hemos visto como dichos estados son excluyentes en el sentido de que solo pasan cuando el polarizador está en la dirección correcta.

Sin embargo, en la luz natural, los fotones no tienen helicidades solamente verticales u horizontales, pueden tenerla en cualquier dirección respecto a su dirección de movimiento:

nopolarizada

Si ahora pones un polarizador en cualquier dirección en la dirección de movimiento de esa luz seleccionarás la luz polarizada en esa dirección:

Por simplicidad hemos puesto el polarizador en vertical pero lo podríamos haber puesto en cualquier dirección que hubieramos querido. El resultado es que solo pasa la luz que tenga fotones con la helicidad/polarización en dicha dirección.

polarizacion1

Si ahora pones un segundo polarizador en una dirección perpendicular (horizontal en este caso) toda la luz se bloquea:

polarizacion2

Lo maravilloso de la cuántica

La cuántica tiene la insana costumbre de responder cuando se le pregunta. ¿Eso qué quiere decir?

Si ahora ponemos un polarizador entre los dos anteriores girado 45º respecto de sus respectivas direcciones encontramos que sale luz por el último polarizador. ¿Eso cómo puede ser?

Retomemos los casos anteriores:

  • Partimos de luz no polarizada.
  • Metemos un polarizador vertical y toda la luz que sale está polarizada verticalmente. Cada fotón tendrá un estado |Fotón Vertical>.

polarizacion1

  • Ahora ponemos un polarizador girado 45º respecto a este:

cuarentaycinco

¿Los fotones pasan o no pasan? La respuesta es que algunos pasan. Y es que nosotros le estamos preguntando a los fotones si están polarizados respecto a 45º de la dirección de salida del anterior polarizador. Los fotones que salen del mismo tienen el estado |Fotón Vertical>. Pero ahora le estamos preguntando sobre 45º respecto a la vertical, pero la cuántica nos dice que cada fotón –—– |Fotón Vertical> se puede escribir como una combinación:

|Fotón Vertical>= 50% |Fotón a 45º respecto a la vertical> + 50% |Fotón a -45º respecto a la vertical>

Que se interpreta como que cada fotón polarizado verticalmente tiene un 50% de pasar por un polarizador situado a 45º respecto de la dirección del primer polarizador.

Así que a la salida de dicho polarizador a 45º tendremos:

polarizacion3

Los fotones de salida tendrán un estado: |Fotón a 45º respecto a la vertical>. Y la intensidad de salida será la mitad de la del primero.

  • Si ahora colocamos un tercer polarizador perpendicular al primero, volvemos a tener lo mismo. Se encuentra con fotones cuyos estados son |Fotón a 45º respecto a la vertical>, pero nosotros le estamos preguntando sobre la polarización horizontal. Pero la cuántica nos dice que:

|Fotón a 45º respecto a la vertical>= 50% |Fotón Vertical> + 50% |Fotón Horizontal>

Por tanto hay un 50% de posibilidades de que pasen fotones por el polarizador horizontal.

polarizacion4

Y por eso sale luz al poner un polarizador a 45º entre dos polarizadores perpendiculares. De hecho, en condiciones ideales la luz que sale tiene una intensidad de salida que es un 25% de la intensidad que sale del primer polarizador.

Lo que yo remarcaría de este tema

a) La cuántica describe estados que se pueden reexpresar como combinaciones de otros estados. Por ejemplo:

|Fotón Vertical>= 50% |Fotón a 45º respecto a la vertical> + 50% |Fotón a -45º respecto a la vertical>

|Fotón a 45º respecto a la vertical>= 50% |Fotón Vertical> + 50% |Fotón Horizontal>

b) En dichas combinaciones la cuántica te dice con qué probabilidad veremos uno de los estados que forman parte de la combinación.

c) Cuando medimos, en este caso cuando ponemos el polarizador, de dichas combinaciones solo sobrevive un estado:

En el primer caso sobrevive |Fotón a 45º respecto de la vertical>

En el segundo caso sobrevive |Fotón Horizontal>

El estado combinado HA COLAPSADO a uno de sus constituyentes, y esto está relacionado con el gato de Schrödinger por si quieres comentarlo.

c) Posibilidades perpendiculares son excluyentes entre sí. Si tengo luz polarizada en la vertical no pasará por un polarizador horizontal y viceversa.

d) Esto que hemos hecho con direcciones verticales y horizontales se puede hacer en cualquier par de direcciones perpendiculares, y para el polarizador que metes entre esos dos que esté a 45º respecto a ellos. Vertical y horizontal no son determinantes, lo importante es que sean perpendiculares entre sí y que el otro, el que metes por medio, esté a 45º respecto a las direcciones de los dos anteriores.

Este experimento pone de manifiesto la propia estructura de la mecánica cuántica aunque hay que tener en cuenta varias cosas:

1.- Todo esto se puede explicar sin mecánica cuántica. Aunque la razón última sea totalmente cuántica se puede llegar a las mismas conclusiones en física clásica. Pero eso no quiere decir que la explicación sea incorrecta sino que aquí la cuántica no es del todo evidente. Pero sabemos que es así porque hemos acumulado resultados experimentales durante más de 100 años que se basan en esta explicación del comportamiento cuántico de la luz.  Y ahora tenemos experimentos de polarización con un fotón solo y eso no se puede explicar con la física clásica.

2.- Lo que hemos explicado de la polarización/helicidad de los fotones no es totalmente cierto, en realidad los polarizadores más usuales, con los que se han hecho estas pruebas en el programa, casi con toda seguridad son polarizadores circulares y no lineales que son con los que hemos usado en el ejemplo y los estados de helicidad serían circulares, algo así como si el fotón gira a izquierdas o a derechas respecto a su dirección de movimiento. Pero eso no es un problema porque siempre podemos traducir polarizaciones circulares a lineales (las que hemos usado) y viceversa.

Gracias a Órbita Laika por existir y ojalá nos acompañe mucho tiempo en nuestras pantallas.

Nos seguimos leyendo…

La delgada y problemática línea entre pasado y futuro

relojEl paso del tiempo es un problema que martillea a la física y a sus practicantes.  Todos tenemos una intuición sobre el paso del tiempo, crecemos, cambiamos, nos movemos, etc.  El tiempo fluye, signifique eso lo que signifique.  ¿Por qué siempre fluye en la misma dirección?

En física se nos dice que el tiempo solo es una dimensión más, igual en estatus que las dimensiones espaciales ancho, alto y largo.  Pero sin duda tiene un carácter distintivo, yo puedo “ver” las dimensiones espaciales a mi alrededor y puedo desplazarme a voluntad por ellas. Con el tiempo no puedo hacer eso, el tiempo me arrastra del pasado al futuro, siempre.  Puedo recordar el pasado pero no el futuro.

Sin lugar a dudas el tiempo tiene una flecha, apunta en un sentido y eso, eso es un problema.

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Neutrino, what’s next? — Organizando partículas 2

Seguimos con la clasificación de las partículas elementales. Ya vimos en las entrada anterior de esta serie la clasificación establecida en términos del espín de las partículas.  Ahora nos toca clasificar las partículas bajo otro criterio, las interacciones que sienten y generan.

Para describir partículas y sus interacciones hay que recurrir a la teoría cuántica de campos.  Sin duda alguna, esta teoría es muy elaborada tanto desde el punto de vista físico como desde el punto de vista matemático.  Sin embargo, se puede entender algunas de sus particularidades sin necesidad de meternos en berengenales.  Espero ser capaz de transmitir la preciosa imagen que nos proporciona esta teoría.

Esta entrada es la continuación de:

Neutrino History, what’s next? — ¿Neutrinos?

Neutrino History, what’s next? — Organizando partículas 1

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Júpiter, la relevancia o irrelevancia de un dios

8646_-_St_Petersburg_-_Hermitage_-_Jupiter2Si tuviera que elegir un dios para creer en él me decantaría por Júpiter. Dios de dioses, se encargó de “retirar” a su papi, se transformaba en águila, toro o rayo de luz para preñar a encantadoras mortales, regía los designios del Olimpo y tenía un mal carácter legendario.

Pero no vamos a hablar de mitología, al menos no de esa mitología en la que estamos pensando.  Hoy nos vamos a parar a discutir un rato sobre la extendida creencia — sí, he dicho creencia — de la influencia del planeta Júpiter en el desarrollo de la vida en nuestro humilde planeta actuando como escudo frente a colisiones de cuerpos celestes que se pasean por nuestro sistema solar.

Un tema molón para un domingo.

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Camino hacia la cuántica — Los átomos dan la sorpresa

Bueno, seguimos con los vídeos sobre el desarrollo de la mecánica cuántica. Hoy nos detenemos a discutir la sorpresa que se llevaron al intentar explicar los espectros atómicos e introducimos el modelo atómico de Bohr.

Tengo que pedir disculpas por mis pocas habilidades en esto de la edición de vídeos.  En este, otra vez, el audio está mal.  La buena noticia es que creo haber detectado el problema y será subsanado en las próximas entregas.  Estoy mejorando el equipamiento y la edición, pero poco a poco, no doy para más :)

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