memo-x

Berita, komentar, dan fitur terbaru dari The Memo X

A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 4: Melihat bintang-bintang

Gambar Aurick Lawson / Getty

Salah satu revolusi paling tenang Dari abad kita sekarang, mekanika kuantum telah memasuki teknologi kita sehari-hari. Efek kuantum dulu terbatas pada laboratorium fisika dan eksperimen mikroskopis. Tetapi teknologi modern semakin bergantung pada mekanika kuantum untuk proses fundamentalnya, dan efek kuantum hanya akan semakin penting dalam beberapa dekade mendatang. Karena itu, fisikawan Miguel F. Morales mengambil tugas berat untuk menjelaskan mekanika kuantum kepada kita semua orang normal dalam rangkaian tujuh bagian ini (tanpa matematika, kami berjanji). Di bawah ini adalah cerita keempat dari serial ini, tetapi Anda selalu dapat menemukannya Cerita awal lebih dari Halaman arahan untuk seluruh seri sejauh ini Aktif.

Gambar teleskopik yang indah dari alam semesta kita sering dikaitkan dengan fisika klasik megah Newton. Sementara mekanika kuantum mendominasi dunia mikroskopis atom dan kuark, gerakan planet dan galaksi mengikuti mekanisme jam megah fisika klasik.

Tetapi tidak ada batasan alami untuk ukuran efek kuantitatif. Jika kita melihat lebih dekat pada gambar yang dihasilkan oleh teleskop, kita akan melihat ciri khas mekanika kuantum. Itu karena partikel cahaya harus bergerak melalui area ruang yang luas dengan cara seperti gelombang Gambar yang cantik kami menikmati.

Minggu ini kita akan fokus pada bagaimana foton berjalan melalui tahun cahaya, dan bagaimana panjang gelombang kuantum yang melekat memungkinkan teleskop modern, termasuk teleskop interferometer seukuran Bumi.

Cahaya bintang

Bagaimana seharusnya kita memikirkan cahaya dari bintang yang jauh? Minggu lalu kami menggunakan analogi menjatuhkan kerikil ke danau, dengan cincin riak di air dalam gerakan yang mirip dengan gerakan foton gelombang. Pengukuran ini membantu kami memahami panjang riak partikel dan bagaimana foton tumpang tindih dan berkumpul bersama.

READ  Kasus COVID-19 aktif melonjak di North Dakota saat negara bagian tersebut melaporkan dua kematian

Kita bisa melanjutkan analogi ini. Setiap bintang mirip dengan Matahari, dalam hal itu ia dibuat Banyak Dari foton. Tidak seperti seseorang yang dengan hati-hati melemparkan satu kerikil ke danau yang sehalus cermin, rasanya seperti menuangkan kerikil ke dalam seember kerikil. Setiap kerikil menciptakan cincin riak, dan riak menyebar dari setiap batu seperti sebelumnya. Tapi riak sekarang terus bercampur dan tumpang tindih. Saat kita melihat gelombang menuju ke pantai paling jauh di Bumi, kita tidak melihat riak dari setiap kerikil secara terpisah; Sebaliknya, campuran beberapa gelombang individu telah ditambahkan bersama.

Gelombang kacau dari bintang kerikil melintasi kolam.  Riak dari banyak kerikil saling tumpang tindih, menciptakan gelombang yang rumit.
Perbesar / Gelombang kacau dari bintang kerikil melintasi kolam. Riak dari banyak kerikil saling tumpang tindih, menciptakan gelombang yang rumit.

Foto Miguel Morales

Jadi mari kita bayangkan bahwa kita berdiri di tepi danau sementara ombak menyapu, dan melihat kerikil “bintang” kita dengan teleskop gelombang air. Lensa teleskop memfokuskan gelombang dari bintang ke suatu titik: tempat pada sensor kamera tempat cahaya bintang itu turun.

Jika ember kerikil lain dijatuhkan ke danau di sepanjang pantai seberang, riak akan tumpang tindih di pantai kami, tetapi akan difokuskan oleh teleskop di dua titik berbeda pada detektor. Demikian pula, teleskop dapat memisahkan cahaya dari bintang menjadi dua kelompok berbeda – foton dari bintang A dan foton dari bintang B.

Tetapi bagaimana jika bintang-bintang begitu berdekatan? Sebagian besar “bintang” yang kita lihat di malam hari sebenarnya adalah bintang ganda – dua matahari yang sangat berdekatan muncul sebagai satu setetes cahaya terang. Saat berada di galaksi yang jauh, bintang dapat dipisahkan oleh tahun cahaya tetapi terlihat seperti satu titik di teleskop profesional. Kita membutuhkan teleskop yang entah bagaimana dapat mengurutkan foton yang dihasilkan oleh bintang yang berbeda untuk menyelesaikannya. Hal serupa berlaku jika kita ingin menggambarkan fitur seperti bintik matahari atau cahaya bersinar Permukaan bintang.

READ  The Hubble Telescope reveals rare and fascinating scenes of the collision of six different galaxies

Kembali ke danau, tidak ada yang istimewa tentang riak yang diciptakan oleh kerikil yang berbeda – riak yang diciptakan oleh satu kerikil tidak dapat dibedakan dari riak yang dibuat oleh kerikil lainnya. Teleskop gelombang kami tidak peduli jika riak berasal dari kerikil yang berbeda dalam satu ember atau ember yang sama sekali berbeda – riak adalah riak. Pertanyaannya adalah seberapa jauh dua kerikil harus dijatuhkan sehingga teleskop kita dapat membedakan bahwa riak tersebut berasal dari lokasi yang berbeda?

Terkadang saat Anda bingung, sebaiknya berjalan perlahan di sepanjang pantai. Jadi kita akan memiliki dua orang teman yang duduk di pantai seberang dan melempar kerikil, saat kita berjalan di sepanjang pantai, melihat ombak dan merenungkan pikiran yang dalam. Saat kita berjalan di sepanjang pantai, kita melihat bahwa ombak dari teman kita tumpang tindih dimana-mana, dan ombak datang secara acak. Sepertinya tidak ada pola.

Namun, pada pemeriksaan lebih dekat, kami melihat bahwa tempat-tempat di pantai yang sangat dekat melihat gelombang yang hampir sama. ombak dia Acak dalam waktu, tetapi lokasi di pantai beberapa langkah lagi, lihat file Diri Gelombang gelombang acak. Tetapi jika kita melihat gelombang yang menghantam pantai, maka gelombang kereta ini sangat berbeda dengan gelombang yang menghantam di dekat kita. Setiap dua tempat di pantai yang berdekatan akan melihat kereta gelombang yang hampir identik, tetapi lokasi yang tersebar luas di pantai akan melihat kereta gelombang yang berbeda.

Masuk akal jika kita menganggap ombak di pantai sebagai campuran riak kecil dari ratusan kerikil. Di lokasi yang dekat dengan pantai, riak kerikil dijatuhkan oleh kedua sahabat tersebut dengan cara yang sama. Tetapi lebih jauh dari pantai, riak dari seorang teman harus bergerak lebih jauh, sehingga riak tersebut menumpuk dengan cara yang berbeda, memberi kami kereta baru.

Meskipun kita tidak dapat lagi melihat riak kerikil satu per satu setelah mereka bergabung menjadi gelombang, kita dapat mempercepat seberapa jauh kita perlu berjalan untuk melihat gelombang baru. Dan ini memberi tahu kita sesuatu tentang bagaimana riak-riak itu bersatu.

Hal ini bisa kita pastikan dengan meminta teman-teman kita yang suka melempar kerikil untuk saling mendekat. Ketika teman-teman kita berdekatan, kita menyadari bahwa kita harus berjalan jauh di sepanjang pantai kita untuk melihat riak terbentuk dengan cara yang berbeda. Tapi ketika pacar kita berpisah, beberapa langkah di pantai kita akan membuat kereta selancar terlihat berbeda. Dengan menentukan jarak yang kita butuhkan untuk berjalan sebelum ombak terlihat berbeda, kita dapat menentukan seberapa jauh jarak teman kita yang melempar kerikil.

Teleskop besar dan kecil melihat dua bintang yang sama.  Karena gelombang terlihat berbeda di ujung terjauh Teleskop Besar, mereka dapat mengurutkan gelombang menjadi dua sumber.  Untuk teleskop kecil, gelombang terlihat serupa melalui lensa, jadi Anda melihat dua bintang sebagai satu sumber yang tidak terpecahkan.
Perbesar / Teleskop besar dan kecil melihat dua bintang yang sama. Karena gelombang terlihat berbeda di ujung terjauh Teleskop Besar, mereka dapat mengurutkan gelombang menjadi dua sumber. Untuk teleskop kecil, gelombang terlihat serupa melalui lensa, jadi Anda melihat dua bintang sebagai satu sumber yang tidak terpecahkan.

Foto Miguel Morales

Efek yang sama terjadi pada gelombang foton, yang dapat membantu kita memahami keakuratan teleskop. Melihat bintang biner yang jauh, jika gelombang cahaya yang memasuki tepi berlawanan dari teleskop terlihat berbeda, teleskop dapat memisahkan foton menjadi dua kelompok yang berbeda – foton dari bintang A dan foton dari bintang B. Tetapi jika gelombang cahaya masuk tepi berlawanan dari teleskop terlihat sama, maka teleskop A tidak dapat lagi mengurutkan foton menjadi dua kelompok dan bintang biner akan terlihat seperti satu titik untuk teleskop kita.

Jika Anda ingin memecahkan benda-benda dekat, hal yang harus Anda lakukan adalah memperbesar diameter teleskop. Semakin jauh tepi teleskop, semakin banyak bintang yang dapat dibedakan. Teleskop yang lebih besar memiliki resolusi dan resolusi yang lebih baik daripada teleskop yang lebih kecil, dan mereka dapat memisahkan cahaya dari sumber yang terkait erat. Inilah salah satu ide di balik pembuatan teleskop yang benar-benar masif dengan diameter 30 atau bahkan 100 meter – semakin besar teleskop, semakin baik keakuratannya. (Ini selalu benar di luar angkasa, dan benar di Bumi menggunakan optik adaptif untuk mengoreksi distorsi atmosfer.)

Untuk teleskop yang lebih besar, ini lebih baik.