Příručka zvědavého pozorovatele kvantové mechaniky, pt. 4: Pohled na hvězdy

Aurick Lawson / Getty Images

Jedna z nejtišších revolucí Od našeho současného století vstoupila kvantová mechanika do naší každodenní technologie. Kvantové efekty se dříve omezovaly na laboratoře fyziky a mikroskopické experimenty. Moderní technologie se však ve svých základních procesech stále více spoléhá na kvantovou mechaniku a význam kvantových efektů bude v nadcházejících desetiletích jen narůstat. Fyzik Miguel F. Morales jako takový přijal náročný úkol vysvětlit kvantovou mechaniku nám ostatním normálním lidem v této sedmidílné sérii (žádná matematika, to slibujeme). Níže je čtvrtý příběh v sérii, ale vždy jej najdete Počáteční příběh více než Úvodní stránka celé série zatím Aktivní.

Nádherné teleskopické obrazy našeho vesmíru jsou často spojovány s grandiózní klasickou fyzikou Newtona. Zatímco v mikroskopickém světě atomů a kvarků dominuje kvantová mechanika, pohyby planet a galaxií sledují majestátní hodinový mechanismus klasické fyziky.

Velikost kvantitativních účinků však není nijak přirozeně omezena. Podíváme-li se pozorně na obrazy produkované dalekohledy, uvidíme znaky kvantové mechaniky. Je to proto, že částice světla musí procházet obrovskými oblastmi vesmíru vlnovitě, aby se vytvořily Krásné obrázky užíváme si.

Tento týden se zaměříme na to, jak fotony procházejí světelnými roky a jak jejich vlastní kvantová vlnová délka umožňuje moderní dalekohledy, včetně dalekohledů interferometru o velikosti Země.

Světlo hvězd

Jak bychom měli myslet na světlo vzdálené hvězdy? Minulý týden jsme použili analogii pádu oblázku do jezera s prstencem vln na vodě v pohybu podobném pohybu vlnových fotonů. Toto měření nám pomohlo pochopit délku zvlnění částice a to, jak se fotony překrývají a shlukují.

V této analogii můžeme pokračovat. Každá hvězda je podobná Slunci v tom, že je stvořena Hodně Fotonů. Na rozdíl od někoho, kdo opatrně hodí jeden oblázek do zrcadlově hladkého jezera, je to jako nalít oblázky do kbelíku oblázků. Každý oblázek vytváří prsten vln a vlnky se šíří z každého kamene jako předtím. Vlny se ale nyní neustále míchají a překrývají. Když sledujeme, jak vlny směřují k vzdálenému břehu Země, nevidíme zvlnění od každého oblázku zvlášť; Místo toho byla přidána směs několika jednotlivých vln.

READ  Vědci objevili dosud nejvzdálenější galaxii
Chaotické vlny štěrkové hvězdy přecházející přes rybník.  Vlny mnoha oblázků se překrývají a vytvářejí složitou sadu vln.
Přiblížit / Chaotické vlny štěrkové hvězdy přecházející přes rybník. Vlny mnoha oblázků se překrývají a vytvářejí složitou sadu vln.

Fotografie Miguela Moralese

Představme si tedy, že stojíme na břehu jezera, zatímco se vlny umývají, a díváme se na naše „hvězdné“ oblázky dalekohledem vodních vln. Objektiv dalekohledu zaostřuje vlny z hvězdy na místo: na místo na snímači kamery, kde klesá světlo z této hvězdy.

Pokud by do jezera podél opačného břehu spadl další kbelík oblázků, vlnky by se na našem břehu překrývaly, ale byl by zaměřen dalekohledem na dva odlišné body detektoru. Stejně tak může dalekohled oddělit světlo od hvězd do dvou odlišných skupin – fotony z hvězdy A a fotony z hvězdy B.

Ale co když jsou hvězdy tak blízko u sebe? Většina „hvězd“, které v noci vidíme, jsou ve skutečnosti dvojité hvězdy – dvě slunce, která jsou velmi blízko u sebe a vypadají jako jedna jasná kapka světla. Ve vzdálených galaxiích lze hvězdy oddělit světelnými roky, ale v profesionálních dalekohledech vypadají jako jediné místo. K vyřešení budeme potřebovat dalekohled, který dokáže nějakým způsobem třídit fotony produkované různými hvězdami. Podobné věci platí, pokud chceme zobrazit funkce, jako jsou sluneční skvrny nebo záře Povrch hvězdy.

Zpět na jezeře není na vlnkách vytvořených různými oblázky nic zvláštního – vlnky vytvořené jedním oblázkem jsou k nerozeznání od vln vytvořených jiným. Náš vlnový dalekohled nezajímá, zda vlnky pocházejí z různých oblázků v jednom kbelíku nebo ze zcela jiných kbelíků – zvlnění je zvlnění. Otázkou je, jak daleko by měly být dva kamínky upuštěny, aby náš dalekohled dokázal rozlišit, že vlnění pocházelo z různých míst?

Někdy, když jste zmatení, je nejlepší chodit pomalu po pláži. Takže budeme mít dva přátele, jak sedí na vzdáleném břehu a hází oblázky, jak kráčíme podél pobřeží, díváme se na vlny a uvažujeme o hlubokých myšlenkách. Když kráčíme po pláži, vidíme, že vlny našich přátel se všude překrývají a vlny přicházejí náhodně. Zdá se, že neexistuje žádný vzor.

Při bližším pohledu si však všimneme, že skvrny na břehu velmi blízko sebe vidí téměř identické vlny. vlny ona Náhodné v čase, ale umístění na pláži pár kroků odtud vidí soubor Sám Náhodný sled vln. Ale když se podíváme na vlny dopadající pryč na břeh, pak se tento vlnový vlak velmi liší od vln dopadajících poblíž nás. Jakákoli dvě místa na pláži, která jsou blízko u sebe, uvidí téměř identické vlaky, ale široce rozptýlené lokality na břehu uvidí vlaky různých vln.

To dává smysl, když si představíme vlny na pláži jako směs malých vln ze stovek oblázků. Na místech blízko pláže oblázkové vlnky shodily oba přátelé stejným způsobem. Ale dále od břehu by vlnky od přítele musely cestovat dál, takže se vlnky budovaly jiným způsobem, což nám dalo nový vlak.

I když již nevidíme jednotlivé oblázkové vlnky, jakmile se spojí ve vlnách, můžeme zrychlit, jak daleko musíme kráčet, abychom viděli vlak nových vln. A to nám říká něco o tom, jak se vlnky spojily.

Můžeme to potvrdit tím, že požádáme přátele házející oblázky, aby se k sobě přiblížili. Když jsou naši přátelé blízko u sebe, všimneme si, že musíme projít dlouhou vzdálenost podél našeho pobřeží, abychom viděli, jak se vlnění hromadí jiným způsobem. Ale když jsou naši milenci od sebe, pár kroků na našem břehu způsobí, že surfové vlaky budou vypadat jinak. Určením vzdálenosti, kterou musíme projít, než vlny vypadají jinak, můžeme určit, jak daleko jsou naši přátelé, kteří vrhají oblázky.

Dalekohledy malé i velké, dívající se na stejné dvě hvězdy.  Vzhledem k tomu, že vlny na vzdálených okrajích Velkého dalekohledu vypadají odlišně, mohou vlny roztřídit do dvou zdrojů.  U malého dalekohledu vypadají vlny skrz objektiv podobně, takže vidíte dvě hvězdy jako jeden nevyřešený zdroj.
Přiblížit / Dalekohledy malé i velké, dívající se na stejné dvě hvězdy. Vzhledem k tomu, že vlny na vzdálených okrajích Velkého dalekohledu vypadají odlišně, mohou vlny roztřídit do dvou zdrojů. U malého dalekohledu vypadají vlny skrz objektiv podobně, takže vidíte dvě hvězdy jako jeden nevyřešený zdroj.

Fotografie Miguela Moralese

Stejný efekt nastává u fotonových vln, které nám mohou pomoci pochopit přesnost dalekohledu. Při pohledu na vzdálenou binární hvězdu, pokud světelné vlny vstupující do protilehlých okrajů dalekohledu vypadají jinak, může dalekohled oddělit fotony do dvou různých skupin – fotony od hvězdy A a fotony od hvězdy B. Ale pokud světelné vlny vstupují protilehlé okraje dalekohledu vypadají podobně, pak ne Dalekohled dokáže déle třídit fotony do dvou skupin a binární hvězda bude vypadat jako jedno místo pro náš dalekohled.

Pokud chcete řešit blízké objekty, je zřejmé, že musíte zvětšit průměr dalekohledu. Čím dále jsou okraje dalekohledu, tím více hvězd lze rozlišit. Větší dalekohledy mají lepší rozlišení a rozlišení než menší dalekohledy a mohou oddělit světlo od blízce souvisejících zdrojů. To je jeden z nápadů, jak postavit skutečně masivní dalekohledy o průměru 30 nebo dokonce 100 metrů – čím větší je dalekohled, tím lepší je přesnost. (To platí vždy ve vesmíru a platí to na Zemi pomocí adaptivní optiky ke korekci atmosférických zkreslení.)

U větších dalekohledů je to opravdu lepší.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *