Archivo de la categoría: mecánica cuántica

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…

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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Videoblog: Camino hacia la cuántica — Punto de partida, la entropía

Hoy es lunes así que toca vídeo.  Prometo que estoy intentando mejorar la edición, la luz, el sonido, etc.  Pero me llevará tiempo y recursos.  Por ahora los resultados no son magníficos pero tampoco son nefastos, al menos en mi opinión :P

Nos decantamos por iniciar un viaje a los orígenes de la mecánica cuántica.  El objetivo es tener unos vídeos que remarquen algunos puntos físico/históricos relevantes, a mi humilde entender, para luego meternos en mayor profundidad en lo que a la física se refiere.

Así que me parece un buen punto de partida remarcar que el punto inicial para el descubrimiento o construcción de la mecánica cuántica vino de la mano del trabajo de Boltzmann sobre la entropía.  Si te quedas con ganas de saber más sobre este tema después del vídeo os dejo algunas entradas del blog donde lo tratamos con mayor profundidad.

Entradas para ampliar

Tan llevada y tan traída… Hablemos de entropía

Aquí hacemos una discusión sobre el complicado concepto de entropía.

Cuerpo Negro

Una discusión sobre el cuerpo negro.

De la entropía a la cuántica

Justamente de lo que hablamos en el vídeo.

El premio Nobel concedido a Einstein

Sobre el motivo y las razones de darle el Nobel a Einstein por su trabajo en la interacción entre radiación y materia.

Nos seguimos viendo…

Hay otros mundos pero no están en este, aunque interactúan con él

AliceThroughTheLookingGlass02Hoy ha caído en mis manos el artículo:

Donde se dice que la mecánica cuántica que vemos solo es la manifestación de muchos mundos clásicos interactuando.
Vamos que los autores han resuelto de un plomazo, (sí, a plomo), todos los problemas que teníamos con la mecánica cuántica.  Bueno, tampoco es así del todo, pero es lo que se lee en los medios que se han hecho eco.
En esta entrada voy a intentar explicar este artículo y las nuevas ideas que se introducen y su motivación.
Ale, a disfrutar un rato.

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¡Aquí ha habido un colapso! Sospechosa principal, la gravedad

horatioHoy voy a hablar de un tema que me ha taladrado la cabeza desde que lo conocí. Un tema del que aún tengo la esperanza de entenderlo al cien por cien y poder decir algo con fundamento sobre él.  Pero no os voy a contar mis anhelos científicos. Lo que puedo hacer ahora es contaros algo acerca del tema en cuestión porque quizás no sea muy conocido.

La cosa va del colapso de los estados cuánticos, o el colapso de la función de onda, elige la versión que quieras.  Esto no es más que el conocido como problema de la medida en mecánica cuántica.  Este problema ha traído de cabeza a los físicos desde la aparición de la cuántica y aún hoy no hay una respuesta clara, aunque algunos dicen tenerla.

Pero hoy, vamos a hablar de la propuesta de Roger Penrose, y desarrollada por muchos otros, de que el colapso del los estados cuánticos superpuestos está mediado por efectos gravitatorios.  Es decir, el colapso no es más que un proceso físico más que la mecánica cuántica estándar no tiene en consideración.  El colapso es algo objetivo.

Intentaré que la entrada sea lo más autocontenida posible y espero saber explicar lo que yo entiendo de este tema.

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