人类怎么看量子

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人类怎么看量子

(图1)

(图1)电子穿过双缝的动摇形式图。假如你测量“哪个狭缝”电子穿过,你就毁坏了这里显示的量子干预图样。虽然这个实验需求一些精细的设备,但有很多办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

宇宙是由不可联系的超小量子粒子构成的反动性思想。除此之外,这些量子在某些状况下只能表现爲粒子;在其它条件下表现得像波一样。这听起来不只违背直觉,而且牵强。但是物理学家不置信任何事情,异样是大自然的实践行爲,这需求实验来验证。

假如没有大型的迷信设备,比方运用一对偏振光的太阳眼镜,就可以在家里演示那些奇特的量子效应,这总是很风趣的。有一些十分复杂的办法可以同时享用...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?那麼把激光倾斜(在一个峻峭的角度)在光盘上,你看到了什麼?不要看光盘自身(也不要照射你的眼睛),而是看光的反射点,只要一个点吗?不是的,能够会有一堆,至多3三个,取决于你的激光束的宽度。

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(图2)

(图2)经过使激光指示器穿过(经过刮掉铝片)CD或DVD而收回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

这是由于在光存储安装中存在巨大的凹坑,光点之间的间隔与凹坑之间的间距相反。光点越近,间隔越近,意味着设备可以包容的数据越少。假如您同时拥有CD和DVD,请检查DVD别离点与CD别离点之间的间隔这是能够的,由于光的动摇性。

‍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明晰途径。把一个激光笔照射在头发上,看看墙上呈现了什麼?会看到一个亮堂的黑暗条纹图案,这是由于光线再次像波浪一样起作用,相似于传统的双缝实验,只要两个边缘(二维)而不是两个狭缝。干预图样由每个独自的光子本身发生,并且延续的亮堂的条纹之间的角度实践上测量你的头发的宽度,更密集的图案意味着更稠密的头发。(头发的间接通常在20到160微米之间)

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(图3)

(图3)当激光束照射到头发上并经过空间传达时发生的干预图案不只能展现光子干预的量子效应,还能让你测量头发的宽度。图片版权:Frostbite Theater / Jefferson Lab

假如你已经疑心过光是一种波,那麼这是一种风趣且复杂的办法来证明它。

‍TOP3、手电筒和偏光原由网太阳镜‍

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任务的?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(复杂廉价的办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经过它,然后在途径中坚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)取向的中央,经过第一偏振片的电场被第二片偏振片完全阻挠。

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(图4)

(图4)当经过偏振滤光镜拍摄时,只要一局部光线(特定方向偏振的光线)透射,使我们可以看到后窗玻璃(底部)的缺陷。图片版权:Etan J. Tal /维基共享资源

但是假如你把第三个偏振器放在两头,旋转它就可以把光传送到最原由网初!两头偏光器将允许一局部的光(局部电场与偏振器对齐),然后光抵达最初的偏振器也会局部地经过这个光。这清楚地展现了光的电磁特性。爲了演示量子加密,只需移除两头偏光器并控制第二偏振器的方向/旋转。假如你将它们陈列成完全有建立性的/毁坏性的,或许是对角线/对角线的,那麼你将有一个不同的通讯方案,但是准绳上只用一个光子就可以发送信息。这是量子密码方案的完满模仿。

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(图5)

(图5)线性偏振器将非偏振光束转换爲具有单一线性偏振的光束。一切波的垂直重量被传输,而程度重量被吸收和反射。图片版权:Bob Mellish /英文维基百科

只需随机发生一些信息,以确定偏振器能否在建立性/毁坏性设置或对角线/支持角线设置中定向,则只要预期的接纳者可以解码信号;假如没有钥匙,闯入者将不得不打破量子密码的密码!量子宇宙能够比我们想象的更乖僻,但是由于光的粒子状和波浪状的属性,可以在我们本人的家里设置演示来察看这些量子效应。

‍TOP4、树立本人的云室‍

你能否想用本人的眼睛看到量子粒子,以及他们在空中挪动的轨迹?那麼不到100美元就可以在家看到它们都来自宇宙射线和放www.58yuanyou.com射源。一切你需求做的是树立一个云室。你能够无法用本人的眼睛看到一般的亚原子粒子,由于我原由网们眼睛可以感知到的光波长简直不受它们的影响。但是假如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!)疾速挪动的带电粒子将发明一条你本人可以直观看到的踪迹!

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(图6)

(图6)爲了取得额定的放射性轨道,在云室底部添加一个烟雾探测器的罩,察看从它向外分发的迟缓挪动的粒子。有些甚至会从底部反弹!图片版权:NASA/GRC/Bill Bowles

办法如下:

首先取得一个长方形的鱼缸鱼缸,巩固的密封圈,而且不会漏水切下三大块异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,一块爲你的“基地”留下坚实的底部

切一块与绝缘泡沫相反尺寸的镀锌钢板。到达鱼缸的大小,附加黑色卡片或磨砂黑色毛毡或喷涂哑光黑色油漆

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参加凹槽中,这样当将水箱放在凹槽上时,空气不能进出

经过在鱼缸底部添加一层毡或海绵样的资料来维护鱼缸

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,然后放置最初一层绝缘泡沫。然后将水/酒精放入粘土槽中,同时用酒精溶液浸泡/渗透鱼缸中的毡/海绵层。(专业提示:运用更多的酒精来浸泡毛毡/海绵层,比你以为的要好;不要在这里吝啬!)将鱼缸翻转过去,将边缘放在金属槽内,这样就可以完全密封与酒精蒸气在外面。

关掉一切的灯,把它放在黑暗的房间里,经过照射一个亮堂的手电筒(或许放映机),把一个暖和的(如折叠的毛巾,从烘干机里取出)放在水箱下面,然后等大约10分钟。

而你对这项实验的报答呢?你会看到过饱和的酒精蒸汽呈现,并且朝着油箱的底部,你会开端在油箱里每秒看到一个“痕迹”的方式:或多或少取决于油箱的大小。把烟雾探测器的地幔放在外面,你会看到更多放射性的粒子发射器,享用亚原子粒子在家里的观看。

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(图7)

(图7)光电效应详细www.58yuanyou.com阐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?虽然最广爲人知的是绝对论,质能方程E = mc^2,但他实践上由于量子研讨取得了诺贝尔奖,如今被称爲光电效应景象。你可以让这个效果在家里发作!拿一些砂纸和一个空的铝罐的里面打沙,然后或许用任何你喜欢的配置(接近在一同比拟好)将金属丝带子粘在下面,或许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外表上,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。如今触摸它的金属箔,应该失掉一个负电荷,互相排挤。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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(图8)

(图8)假如你采取低质量的导电资料,并向它们施加相反类型的电荷,它们将互相排挤。关于人的头发来说也是如此,关于金属丝也是如此。图片版权:Biswarup Ganguly / Wikimedia Commons

将铝罐上的短波紫外光发作器(需求有UV-C光)指向并翻开。电子被踢开了,可以看到这个现实,金属丝落下!假如运用可见光,红外光,甚至是UV-A或UV-B光,则电子坚持约束。这是光电效应的一个例子,证明了它是每个独自光子的能量,而不是整个光的强度决议了电离!

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(图9)

(图9)太阳的可见光谱不只协助我们了解它的温度和电离,而且还协助我们了解存在的元素的丰度。假如不理解量子物理学和各种能量的电子行爲,我们就永远无法了解恒星是如何任务的。图片版权:Nigel Sharp,NOAO /基特峰国度太阳观测站/ AURA / NSF

宇宙曾经证明了本人不只比我们想象的还要奇异,而且它似乎比人类更难以想象。但是许多最违背直觉的景象,那些提醒了宇宙的量子性质的景象,可以在家里以一个根本的办法来察看。只需有一点点的设备、耐烦和努力,就可以在本人的客厅里探究量子宇宙,而奖励是对一个宇宙的第一手理解,即便是在一个世纪以前,历史上最聪明的头脑也永远无法了解。明天你理解了解并晓得了是多麼美妙的一件事啊!

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