Riflessioni sugli eventi quantistici quotidiani
In un certo senso, è difficile non vedere la meccanica quantistica nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, l'esistenza di una chimica complessa e il volume occupato dalla materia ordinaria sono entrambe conseguenze dirette di una cosa chiamata esclusione di Pauli. Questa è una regola quantistica che richiede che ogni elettrone nell'universo mantenga un indirizzo univoco che consiste nella sua posizione nello spazio (tre numeri), la sua quantità di moto (velocità più o meno per gli elettroni della stessa massa e anche tre numeri) e un altro strano chiamato orientamento di rotazione (binario, su o giù). Quando gli elettroni caricati negativamente sono imballati strettamente insieme, diciamo, l'attrazione positiva di un nucleo atomico, queste regole di indirizzo univoco fanno sì che gli elettroni assumano posizioni e orientamenti unici attorno agli atomi (chimica) e resistano all'essere schiacciati insieme oltre un certo punto (volume).
Legame atomico in chimica - senza il quale non saremmo qui per discuterne! - scomparirebbe in gran parte senza l'ultima regola dell'indirizzo dispari sugli spin up-down. La capacità di due elettroni di condividere lo stesso spazio avendo spin opposti dà ad alcuni atomi la capacità di rubare un elettrone da altri atomi fornendo un accogliente indirizzo condiviso lontano da casa, un effetto che in chimica è chiamato legame ionico. In altri casi, la regola di accoppiamento up-down consente a una coppia di elettroni di essere condivisa equamente da due atomi, che è anche chiamato legame covalente.
Vedere per credere
Tuttavia, penso che la tua domanda fosse davvero più incentrata sulla ricerca di "un fenomeno visibile ad occhio nudo che richiede la meccanica quantistica" e che ciò che volevi fosse qualcosa di un po 'più profondo e grande di riassumendo semplicemente gli impatti su larga scala di molti eventi quantistici molto piccoli. Sospetto che speravi in qualcosa che puoi vedere senza il tuo occhio nudo, senza la necessità di un laboratorio pieno di apparecchiature esotiche.
Queste cose esistono davvero. In effetti, molto probabilmente hai guardato direttamente in un esempio proprio questa mattina. Si chiamano specchi.
Cioè, la capacità dei metalli levigati riescono a riflettere immagini meravigliosamente accurate dei mondi che li circondano mentre la maggior parte (non tutte!) Le altre sostanze sono scure, opache o trasparenti, lo è un tipo di evento quantistico su larga scala che è tanto strano quanto esotico come i condensati di Bose di laboratorio. È un classico esempio di familiarità che genera indifferenza: la riflessione metallica è così comune e facile da osservare che dimentichiamo quanto sia profondamente strana e non classica.
Spaziatura, per davvero
Allora perché la riflessione metallica è profondamente quantistica?
È quantistica in molti modi, in realtà. Il primo passo è che devi inviare un numero enorme di elettroni in una sorta di curiosa forma alternativa di spazio, quella in cui il sistema di coordinate per trovare un elettrone non è più costituito da tre direzioni dello spazio, ma deve invece essere espresso in tre direzioni di momentum.
Come può un elettrone perdersi nello spazio ordinario? Il modo in cui ci arrivano è sorprendentemente semplice e dal suono ordinario: nei metalli, alcuni elettroni hanno la libertà di muoversi liberamente per tutto il volume del metallo. Cioè, gli atomi di metallo credono fermamente in una sorta di condivisione a livello di comunità di alcuni dei loro figli di elettroni, preoccupandosi non per niente se il loro stesso elettrone finisce davvero molto lontano, fintanto che altri elettroni rimangono abbastanza vicini da cancellarli. le loro accuse positive.
Un elettrone vagante non suona poi così insolito finché non ti rendi conto che gli elettroni sono così leggeri che la meccanica quantistica non può essere ignorata. Ciò che la meccanica quantistica fa agli oggetti molto leggeri è far sì che le loro descrizioni quantistiche inizino a occupare spazio attraverso l ' intero volume del metallo su cui vagano. Cioè, invece di un elettrone che si sposta indietro e per attraversare un cristallo come farebbe un oggetto classico massiccio, un elettrone indisturbato e liberamente vagante è rappresentato più accuratamente come posizionato ugualmente in tutte le posizioni nel metallo allo stesso tempo /em>.
Prova a fare quel trucco con la tua macchina!
Qual è il tuo indirizzo, per favore?
Tuttavia, poiché in un dato pezzo di metallo gli elettroni condivisi super-leggeri fanno tutti lo stesso "sono ovunque!" Allo stesso tempo, sorge un problema con quel problema di indirizzo che ho menzionato prima: ogni elettrone nell'universo deve avere un indirizzo completamente unico.
Se questi elettroni persi sono tutti condividendo lo spazio lo stesso pezzo di metallo, significa che condividono anche posizioni essenzialmente identiche (anche se strane) nello spazio ordinario ... e questo semplicemente non va bene. Significa che ciascuno di questi elettroni nel metallo deve trovare un nuovo modo per mantenere un "indirizzo" unico all'interno dell'universo. L'opzione su e giù aiuta, ma consente solo a due elettroni di condividere lo stesso indirizzo. Quindi, l'unica opzione rimasta è che gli elettroni inizino a salire nell'unico gruppo di coordinate rimanente, che è la vasta gamma di velocità e direzioni (velocità) chiamata spazio della quantità di moto.
Ora dovrei sottolineare che osservando questo processo dalla nostra prospettiva dello spazio ordinario con coordinate XYZ, gli elettroni che salgono nello spazio della quantità di moto sembra che stiano acquisendo velocità diverse, il che non suona così esotico. Ma per gli elettroni che si muovono nello spazio della quantità di moto, la vista è davvero molto diversa. Ecco il motivo principale per cui: gli elettroni possono effettivamente urtarsi l'un l'altro una volta che entrano nello spazio della quantità di moto, proprio come le molecole d'acqua che riempiono un contenitore nello spazio ordinario. Tutto questo sbattere e spingere per lo spazio della quantità di moto costringe gli elettroni a espandersi e occupare più spazio lì, di nuovo in un modo sorprendentemente simile a come le molecole d'acqua si accumulano nello spazio XYZ ordinario.
Quantum Splish-Splash
In effetti, il processo degli elettroni che si muovono e si espandono nello spazio della quantità di moto è così simile al modo in cui le molecole d'acqua riempiono un contenitore che tale raccolta di elettroni nei metalli è chiamato mare di Fermi . (A parte: Enrico Fermi deve aver avuto un ottimo addetto stampa che lavora per lui, viste tutte le cose interessanti che prendono il nome da lui in fisica.) Questo tipo di liquido spazio-moto ha anche una superficie ben definita, proprio come un liquido ordinario.
Tuttavia, ricorda che dalla nostra prospettiva nello spazio XYZ ordinario, gli elettroni accumulati nello spazio della quantità di moto sembrano muoversi a velocità diverse. Questa equivalenza significa che gli elettroni più vicini alla superficie del mare di Fermi nello spazio della quantità di moto devono necessariamente muoversi più velocemente nello spazio XYZ ordinario. In effetti, per un buon conduttore come l'argento gli elettroni sulla superficie del mare di Fermi finiscono per muoversi molto velocemente. Poiché la velocità per un piccolo oggetto è la stessa cosa che chiamiamo calore, quanto sono caldi (quanto caldi) questi elettroni finiscono per essere?
Ci sentiamo caldi, caldi, caldi
Ebbene, se gli elettroni nella parte superiore del mare di Fermi in un grosso pezzo d'argento perdessero improvvisamente tutta la loro energia, verrebbero emessi sotto forma di raggi X. L'esplosione sarebbe stata così energica che chiunque si trovasse nelle vicinanze sarebbe stato ucciso. È piuttosto caldo! Fortunatamente per i portatori di gioielli, questo non può accadere categoricamente perché tutti quegli elettroni più bassi nel mare di Fermi si rifiutano di muoversi. A loro piacciono molto le loro posizioni molto più interessanti nello spazio del momento e non hanno intenzione di rinunciarci!
Specchio, specchio sul muro
Ora è il momento per ricondurre tutto questo alla tua domanda se puoi "vedere" gli effetti quantistici sulla scala della vita ordinaria.
La magia quantistica inizia ogni volta che guardi in uno specchio ordinario. Non appena lo fai, stai già osservando un mare di elettroni che da una prospettiva meccanica quantistica non esistono proprio nello spazio ordinario. Sono "persi" nello spazio XYZ che conosciamo meglio, uno spazio in cui le loro accurate rappresentazioni quantistiche sono in alcuni casi grandi quanto l'intera superficie dello specchio.
E la maggior parte di quegli elettroni persi lo sono anche nascosto! Questo perché la luce che vediamo rimbalzare su uno specchio proviene solo da una piccolissima percentuale degli elettroni marini di Fermi, in particolare solo da quelli estremamente caldi nella parte superiore del mare di Fermi. Questo perché sono gli unici elettroni che hanno un "margine di manovra" rimasto per accettare un fotone e giocare con esso.
Quello che succede è questo: un elettrone sulla superficie del mare di Fermi può accettare una particella di luce, un fotone, e così facendo si accelera solo un po 'di più. Ma a differenza degli elettroni più in basso nel mare, quando un elettrone in superficie accelera, crea un "punto vuoto" nel mare di Fermi. Il processo è molto simile al modo in cui uno spruzzo d'acqua può salire nell'aria, ma poi si rende conto che non ha più acqua sotto di esso per mantenerlo sostenuto. A differenza dell'acqua nel mare, lo spruzzo sopra la superficie non è stabile: deve ricadere in superficie.
Molto simile a un tale spruzzo d'acqua, un elettrone sulla superficie di Fermi che è stato "Schizzato" da una particella di luce in arrivo (fotone) non ha alcun supporto sottostante per mantenerlo lì. Quindi, deve ricadere sulla superficie del mare di Fermi. Mentre lo fa, rinuncia all'energia del fotone che ha trattenuto per breve tempo riemettendo una versione quasi identica del fotone che ha appena assorbito. Questa riemissione di un fotone da un elettrone sulla superficie di Fermi è l'unità di riflessione più piccola e fondamentale, l'evento da cui sono composte le riflessioni su scala più grande.
Semplicità dalla complessità
Ora la cosa veramente bella di tali ri-emissioni è che se il tuo metallo è liscio, consistente e levigato sulla superficie, ogni effetto di ri-emissione finisce per essere diretto dall'elevata simmetria di entrambi la superficie metallica piatta e del suo liscio mare di elettroni Fermi, facendo emergere il fotone emesso (o più precisamente molti fotoni che interagiscono su tutta la superficie) in un modo molto preciso che chiamiamo angolo di riflessione. È un caso in cui molta fisica complicata guidata da una matematica ancora più complicata finisce per avere un risultato meravigliosamente semplice, e l'evento che chiamiamo semplicemente riflessione.
E, cosa più sorprendente, quella semplicità dipende profondamente dagli effetti quantistici che attraversano l'intero specchio. Richiede elettroni che hanno perso collettivamente la loro strada nello spazio ordinario e si sono rifugiati in uno spazio che non è come lo spazio che vediamo di solito, ma che permetta loro di incontrarsi. Formano un liquido in questo particolare spazio di quantità di moto, un mare che capovolge la nostra stessa comprensione di cosa sia un "oggetto" o "liquido" e di come dovrebbe comportarsi. Il più piccolo frammento di questi elettroni nascosti poi ci saluta mentre navigano sulla superficie del loro nascosto, mostrando le incredibili velocità che hanno raggiunto lanciandoci indietro i fotoni in un atto di giocoleria coordinato che vediamo come nella vivida luminosità di un specchio, o la bellezza di un ornamento scintillante, o in un po 'di argento brillante o oro.
Finale: prenditi un momento per riflettere
Quindi, la riflessione metallica è un evento profondamente quantistico, che si svolge a misura d'uomo e che è straordinariamente bello e utile. Se trovi il tuo universo un po 'noioso alcune mattine, prenditi un momento per dire ciao a questo delizioso pezzo di stranezza quantistica quando guardi in uno specchio mattutino! E rifletti un po 'sulla tua riflessione per ricordarti come è un universo straordinario in cui viviamo.
$$
Addendum 2015-06-20: Vision as Quantum Fisica
Devo aggiungere un esempio di fenomeni quantistici su larga scala che è molto più vicino a casa di uno specchio. È il fatto che puoi vedere.
Le lenti, comprese quelle nei tuoi occhi, sono dispositivi profondamente quantistici. Se non fosse per la conversione meccanica quantistica della forma su larga scala di una lente in una guida per il modo in cui le particelle microscopiche di luce (fotoni) viaggiano, le lenti nei tuoi occhi sarebbero opache come l'acciaio e non staresti leggendo questo testo .
Il problema è questo: poiché la luce viene emessa e ricevuta come minuscole unità di energia simili a particelle, o fotoni, la fisica classica richiede che questi fotoni rimangano particelle durante i loro viaggi tra questi due punti.
E questo è un problema. Dopotutto, come fa un fotone elettromagnetico a viaggiare attraverso una lente piena di atomi ricchi di elettroni che dovrebbero batterlo in questo modo e che come un labirinto di complessità sbalorditiva, per non parlare di formare un'immagine? Potrebbe rimbalzare per alcuni istanti negli strati atomici più esterni della lente, ma non avrebbe alcuna possibilità di penetrare più in profondità prima di essere perso o assorbito.
È la meccanica quantistica che ci salva dal paradosso di cecità ai fotoni classici.
Matematicamente, la meccanica quantistica consente a un singolo fotone di "esplorare" l'intera forma di una lente attraverso un processo chiamato integrazione di tutte le storie possibili. Questo processo non ha alcun senso in modo classico, poiché è come se il fotone avesse esplorato letteralmente ogni possibile percorso tra i suoi punti di inizio e fine. Quelle esplorazioni virtuali vengono quindi sommate in un modo speciale per produrre la funzione d'onda del fotone, che indica quale fascio di percorsi è più probabile che contenga il fotone effettivo.
È questo array infinito di virtuale percorsi fotonici che consentono a un singolo fotone di "fiutare" la forma e la forma complessive di una lente come quelle nei tuoi occhi. Data la quantità incredibilmente piccola di energia contenuta in un singolo fotone rispetto a un enorme obiettivo a misura d'uomo, questa è un'impresa piuttosto notevole. È più o meno come portare una piccola torcia in orbita e "vedere" la forma dell'intera Terra facendola brillare sul lato notturno. Sorprendentemente, ogni fotone deve farlo da solo, poiché il risultato di far brillare ogni fotone in un fascio di luce uno per uno attraverso una lente è lo stesso di quello che si ottiene illuminandoli tutti in una volta.
La conclusione è questa: ogni singola forma di riflessione, rifrazione o trasparenza che vedi usando la luce ordinaria è praticamente un miracolo della meccanica quantistica. Nessuno di questi effetti può esistere senza che i fotoni "fiutino" la forma su larga scala di uno specchio, una lente o una finestra (che in realtà è solo una lente piatta) in un modo che consente loro di ignorare l'incredibile complessità di quegli oggetti, e concentrati invece sulla forma complessiva e sulle proprietà ottiche.
Fino a che punto devi andare per vedere gli effetti quantistici profondamente nella vita di tutti i giorni? Non lontano, perché l'atto stesso di usare gli occhi per cercare tali effetti è di per sé profondamente quantistico.