• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Como posso ver o universo quântico em casa?

O padrão de onda para elétrons passando por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. Embora esse experimento exija alguns equipamentos sofisticados, há muitas maneiras de ver os efeitos do nosso Universo quântico em casa. Crédito da imagem: Dr. Tonomura e Belsazar do Wikimedia Commons .

Faça esses cinco experimentos em sua própria sala de estar e explore alguns dos fenômenos mais desconcertantes de toda a natureza.

É uma ideia revolucionária que o Universo é feito de partículas quânticas indivisíveis e ultra-minúsculas. Mais do que isso, esses quanta só se comportam como partículas em determinadas circunstâncias; em outras condições, eles se comportam como ondas. Isso soa não apenas contra-intuitivo, mas muito improvável. No entanto, os físicos não acreditam em nada sem se convencerem de que é assim que a natureza realmente se comporta, e isso requer experimentos para verificar isso. Você pode fazer qualquer um deles em casa? É isso que nosso apoiador do Patreon, Ron Lisle, quer saber:

[É] sempre divertido ouvir sobre efeitos quânticos esquisitos que podem ser demonstrados em casa sem grandes equipamentos científicos, por exemplo, usando um par de óculos de sol polarizados.

Existem algumas maneiras muito fáceis de aproveitar a natureza das ondas e das partículas da... bem, da natureza. Aqui estão alguns experimentos que você pode fazer em casa para ver por si mesmo!

Os padrões de difração de um ponteiro laser ao longo ou através (com o alumínio raspado) de um CD ou DVD permite que você meça o espaçamento entre as cavidades no meio de armazenamento óptico. Crédito da imagem: Explorações Científicas com Paul Doherty.

1.) Ponteiro laser e CD/DVD/Blu-Ray. Tem um ponteiro laser? Tem um CD, DVD ou disco Blu-Ray à mão? Bem, apague as luzes e acenda o laser obliquamente (em um ângulo acentuado) no disco, e o que você vê? Não olhe para o disco em si (e não tire o olho ), mas sim olhar para o ponto de luz refletido. Existe apenas um ponto? Não. É provável que haja um monte deles: pelo menos 3, dependendo da largura do seu feixe de laser.

Isso ocorre porque existem pequenas cavidades no dispositivo de armazenamento óptico, com a distância entre os pontos de luz correspondendo inversamente ao espaçamento entre as cavidades. Quanto mais próximos os pontos de luz estiverem, mais distante será o espaçamento entre os poços, o que significa que menos dados seu dispositivo pode armazenar. Se você tiver um CD e um DVD, verifique a distância entre os pontos do DVD e os do CD! Isso só é possível devido à natureza ondulatória da luz.

O padrão de interferência criado quando um feixe de laser atinge um fio de cabelo e se propaga pelo espaço pode não apenas mostrar o efeito quântico da interferência de fótons, mas também permitir que você meça a largura do fio. Crédito da imagem: Frostbite Theatre / Jefferson Lab.

2.) Ponteiro laser e um fio de cabelo. Tem um fio de cabelo que você pode poupar? Suspenda-o esticado entre dois pontos, deixando um caminho claro do cabelo até uma parede em branco. Agora, aponte um ponteiro laser para o cabelo e dê uma olhada no que surge na parede. Veja um padrão de franjas claras e escuras? Isso se deve à luz agindo como uma onda novamente, semelhante ao lendário experimento de dupla fenda , apenas com duas bordas para o cabelo (em duas dimensões) em vez de duas fendas. O padrão de interferência é criado por cada fóton individual consigo mesmo, e o ângulo entre as sucessivas franjas brilhantes realmente mede a espessura do seu cabelo , onde um padrão mais espaçado significa cabelo mais grosso. (O cabelo normalmente corre entre cerca de 20 e 160 mícrons, com o cabelo da barba consistentemente na parte mais alta disso.)

Se você já duvidou que a luz é uma onda, esta é uma maneira divertida e fácil para demonstrá-lo por si mesmo.

Quando fotografado através de um filtro polarizado, apenas uma parte da luz (a luz polarizada em uma determinada direção) é transmitida, permitindo-nos ver coisas como as falhas no vidro da janela traseira (inferior). Crédito da imagem: Etan J. Tal / Wikimedia Commons.

3.) Lanterna e óculos de sol polarizados . Quer demonstrar como a luz é polarizada e que tem propriedades eletromagnéticas? Ou quer dar um passo adiante e ver como a criptografia quântica funciona? Pegue uma lanterna em um quarto escuro e acenda-a em direção a uma parede. Coloque as mãos em três filtros polarizadores (a maneira mais barata e fácil é apenas tirar as lentes de um par de óculos de sol polarizados), configurar um para que a luz passe por ele e, em seguida, segure um segundo no caminho da luz que filtra. Ao girar esse segundo polarizador, você verá a luz clarear e escurecer, e haverá um ponto em que a luz será totalmente cortada. É aí que seus polarizadores são orientados em ângulos retos (90°) um com o outro, e os campos elétricos que foram permitidos através do primeiro polarizador são completamente bloqueados pelo segundo.

Um polarizador linear converte um feixe não polarizado em um com uma única polarização linear. As componentes verticais de todas as ondas são transmitidas, enquanto as componentes horizontais são absorvidas e refletidas. Crédito da imagem: Bob Mellish / Wikipedia em inglês.

Mas se você colocar um terceiro polarizador no meio e girá-lo, poderá enviar luz até o final! O polarizador do meio permitirá a passagem de uma porção de luz (a porção cujo campo elétrico se alinha com o polarizador), e então a luz que chega ao último polarizador também passará parcialmente por aquele. É uma demonstração clara das propriedades eletromagnéticas da luz. Para uma demonstração de criptografia quântica, basta remover o polarizador do meio e controlar a orientação/rotação do segundo polarizador. Se você alinhá-los perfeitamente construtivo/destrutivo, ou diagonal/antidiagonal, terá um esquema de comunicação diferente, mas que permite enviar bits de informação, em princípio, usando apenas um único fóton. É o análogo perfeito de um esquema de criptografia quântica.

Contanto que você esteja gerando bits de informação aleatoriamente para determinar se seus polarizadores estão orientados na configuração construtiva/destrutiva ou na configuração diagonal/antidiagonal, apenas o destinatário pretendido pode decodificar seu sinal; um intruso teria que quebrar o código de criptografia quântica sem ter a chave! ( Mais detalhes aqui .) O Universo quântico pode ser mais bizarro do que podemos intuir, mas graças às propriedades da luz como partículas e ondas, podemos montar demonstrações para ver alguns desses efeitos quânticos em nossa própria casa.

Para um bônus extra de faixas radioativas, adicione o manto de um detector de fumaça ao fundo de sua câmara de nuvens e observe as partículas em movimento lento que emanam dele. Alguns vão até saltar do fundo! Crédito da imagem: NASA/GRC/Bill Bowles.

4.) Construa sua própria câmara de nuvem . Você já quis ver partículas quânticas e os rastros que elas fazem enquanto se movem pelo ar, com seus próprios olhos? Nós vamos, por menos de $ 100 , você pode vê-los tanto de raios cósmicos quanto de fontes radioativas em casa. Tudo o que você precisa fazer é construir uma câmara de nuvem. Você pode não ser capaz de ver partículas subatômicas individuais com seus próprios olhos, pois os comprimentos de onda da luz que nossos olhos podem perceber praticamente não são afetados por elas. Mas se você criar um vapor de álcool - álcool 100% puro, como álcool isopropílico ou etílico (qualquer coisa inferior a 90% não funcionará!) - uma partícula carregada e em movimento rápido criará um rastro que você mesmo pode ver visualmente! Veja como :

• Comece obtendo um aquário de aquário retangular, que tenha vedações boas e sólidas em todas as bordas e não vaze.
• Corte três pedaços grandes de espuma grossa e isolante do mesmo tamanho: dois com furos retangulares grandes o suficiente para o aquário caber dentro, um que você deixa sólido para sua base.
• Corte um pedaço de chapa de aço galvanizado do mesmo tamanho da espuma isolante. Anexe cartolina preta ou feltro preto fosco, ou pinte-o com tinta preta fosca, para a superfície do tamanho do aquário.
• Coloque a placa de metal entre as duas camadas superiores de espuma isolante; adicione uma camada de massa de modelar nos dois lados para que o tanque se encaixe. Adicione água ou um pouco da solução de álcool na ranhura para que, quando você colocar o tanque em cima, nenhum ar possa entrar ou sair.
• Modifique o tanque de peixes adicionando uma camada de feltro ou material semelhante a uma esponja à base do tanque. Proteja-o bem; vai ficar de cabeça para baixo! Uma vez definido, você está pronto para juntar tudo.
• Coloque um pouco de gelo seco nas duas primeiras camadas (base sólida e retângulo oco) da espuma isolante, em seguida, coloque a placa de metal (lado preto para cima) sobre ela, depois a última camada de espuma isolante. Em seguida, coloque a água/álcool no sulco de argila, enquanto simultaneamente embebe/satura a camada de feltro/esponja no aquário com a solução de álcool. (Dica profissional: use mais álcool para saturar a camada de feltro/esponja do que você acha que deveria; não seja mesquinho aqui!) Vire o aquário e coloque as bordas dentro das ranhuras de metal, para que você tenha uma vedação hermética. ao redor com o vapor de álcool dentro.
• Desligue todas as luzes para que fique em um quarto escuro, acenda uma lanterna brilhante (ou projetor) através do tanque, coloque um objeto quente e pesado (como uma toalha dobrada, recém-saída da secadora) em cima do tanque e espere cerca de 10 minutos. minutos.

https://www.youtube.com/watch?v=mI1FPT0U8Qo

tem algum detalhado guias por aí , se estas instruções forem muito simples para você. E a sua recompensa por este trabalho? Você verá o vapor de álcool supersaturado aparecer e, no fundo do tanque, você começará a ver cerca de uma trilha no tanque a cada segundo: mais ou menos dependendo do tamanho do seu tanque. Jogue o manto de um detector de fumaça lá, um emissor de partículas alfa radioativas, e você verá ainda mais. Aprecie sua visão de partículas subatômicas individuais em casa.

O efeito fotoelétrico detalha como os elétrons podem ser ionizados por fótons com base no comprimento de onda de fótons individuais, não na intensidade da luz ou em qualquer outra propriedade. Crédito da imagem: Wolfmankurd / Wikimedia Commons.

5.) Luz UV de ondas curtas e enfeites de árvore de Natal . Já ouviu falar de um cara chamado Einstein? Apesar de ser mais conhecido pela relatividade e E = mc² , ele realmente ganhou o Prêmio Nobel por sua pesquisa quântica em um fenômeno agora conhecido como efeito fotoelétrico. Você pode fazer esse efeito acontecer para você mesmo em casa! Pegue uma lixa e lixe a parte externa de uma lata de alumínio vazia, depois cole o ouropel na configuração que desejar (junto é melhor) ou cole um fio de cobre na lata de alumínio e o ouropel a ela. Apoie a lata e o enfeite em uma superfície isolante, como um copo de isopor, e esfregue um balão inflado contra sua camisa para carregá-lo. Agora, toque no enfeite, que deve ficar com carga negativa e se repelir. O enfeite será muito parecido com o cabelo humano que foi carregado em um gerador de van de Graaff.

Se você pegar materiais condutores de baixa massa e aplicar o mesmo tipo de carga a eles, eles se repelirão. Isso é tão verdadeiro para o cabelo humano quanto para o ouropel. Crédito da imagem: Biswarup Ganguly / Wikimedia Commons.

Agora, aponte o gerador de luz UV de ondas curtas (ele precisa ter luz UV-C) para a lata de alumínio e ligue-o. Os elétrons são expulsos, e você pode ver isso pelo fato de que o ouropel cai! Se você usar luz visível, luz infravermelha ou mesmo luz UV-A ou UV-B, os elétrons permanecem ligados. Este é um exemplo do efeito fotoelétrico, demonstrando que é a energia em cada fóton individual, não a intensidade geral da luz, que determina a ionização! ( Mais detalhes aqui .)

O espectro de luz visível do Sol, que nos ajuda a entender não apenas sua temperatura e ionização, mas a abundância dos elementos presentes. Sem uma compreensão da física quântica e do comportamento dos elétrons em várias energias, nunca poderíamos entender como as estrelas funcionam. Crédito da imagem: Nigel Sharp, NOAO / National Solar Observatory at Kitt Peak / AURA / NSF.

O Universo provou ser não apenas mais estranho do que imaginávamos, mas parece ser mais estranho do que os humanos são capazes de imaginar. No entanto, muitos dos fenômenos mais contra-intuitivos, aqueles que revelam a natureza quântica do Universo, podem ser observados em casa com um orçamento básico. Com apenas um pouco de equipamento, paciência e esforço, você pode explorar o Universo quântico em sua própria sala de estar, e a recompensa é uma compreensão em primeira mão de um Universo que, mesmo há apenas um século, as mentes mais brilhantes da história jamais poderia imaginar.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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