Ones

Podem definir una ona com una pertorbació d’un medi. Tal pertorbació es propaga en el medi en qüestió, transportant energia i quantitat de moviment, però no matèria. Això significa que encara que ens sembli que l’aigua d’un estany es desplaça quan hi tirem una pedra, tan sols transporta energia i moviment. Què significa això? Primer veurem els dos tipus d’ones. 

Ones mecàniques i ones electromagnètiques 

La principal característica que ens permet diferenciar una ona mecànica d’una electromagnètica és la necessitat o no d’un medi en el qual propagar-se. Sabem que el so, que és una ona mecànica, es propaga per l’aire a una velocitat d’uns 340m/s. Aquesta velocitat incrementa quan el so es propaga en substàncies que tenen els àtoms més propers els uns dels altres. Per exemple, en l’aigua, el so es propaga unes cinc vegades més ràpid que en l’aire, mentre que en l’alumini, que és un sòlid, és vint vegades major. Aquest increment es deu al fet que el so és conseqüència de la vibració en cadena de les molècules que formen el medi on es propaga. Els àtoms que formen l’aire, que és una mescla de gasos, estan molt més separats que els d’un líquid o un sòlid. Això provoca que la velocitat de propagació en un gas sigui fins a vint vegades més petita que en un metall. Les ones elàstiques, un altre tipus d’ona mecànica, també necessita un medi per propagar-se. Les ones electromagnètiques, en canvi, no necessiten un medi per on viatjar, sinó que poden desplaçar-se pel buit. Són pertorbacions del camp electromagnètic que Maxwell va descriure per primer cop al unificar el camp elèctric i el magnètic en un sol concepte. 

Una propietat increïble d’aquestes ones és la velocitat amb la qual es propaguen en el buit: la velocitat de la llum. La llum, que en l’aire es propaga a una velocitat aproximada de 300.000 km/s, és 900.000 vegades més ràpida que el so –això explica per què primer observem el llampec i després sentim el tro -. 

Ones electromagnètiques 

Longitud d’ona

A continuació veurem les diferents classes d’ones electromagnètiques en funció de la seva longitud d’ona. 

Espectre electromagnètic                            Longitud d'ona 

Ràdio                                                          Muntanya-home
Microones                                                  Nadons-insectes
Infraroig                                                          Punta d’una agulla
Visible                                                          Bacteris (700-400 nm)
Ultraviolats                                                  Molècules
X                                                                  Àtoms
Gamma                                                          Més petit que un nucli atòmic

Potser cal recordar que la longitud d’ona és la distància que separa dues valls (punts més baixos) o dues crestes (punts més alts) successives d’una ona. En la casella “longitud d’ona” no hem sigut rigorosos, ja que les hem comparat amb cossos com muntanyes o insectes, però pensem que d’aquesta manera és més fàcil fer-se una idea mental de com són. 

Energia d’un fotó 

Hem vist en anteriors entrades que les ones electromagnètiques com la llum es comporten seguint el model de dualitat ona-partícula, és a dir, en certs casos el seu comportament és com el d’una ona i en certs casos com el d’un conjunt de partícules. Aquestes partícules les coneixem amb el nom de fotons, i, si potser no va ser el primer en imaginar-se-les, Albert Einstein sí que va ser qui demostrà la seva existència. 

L’energia dels fotons dels diferents espectres electromagnètics és un aspecte que preocupa molt a la societat. Un fotó que té poca energia tindrà poc poder de penetració i, per tant, serà poc nociu per a la nostra salut. No obstant, un que tingui molta energia serà capaç de penetrar en els nostres teixits i alterar el contingut del material genètic, la qual cosa pot originar un comportament erroni de les nostres cèl·lules que, en certs casos, traduïm com a càncer. És important saber que l’energia d’un fotó és inversament proporcional a la longitud d’ona. Així doncs, com que la longitud d’ona de les ones de ràdio és molt ampla, l’energia dels seus fotons no és nociva per a nosaltres. Si més no, escoltar la ràdio no ens produeix, que sapiguem, cap problema. La llum del Sol també és poc nociva, sempre i quan ens protegim i dosifiquem l’exposició al Sol adequadament. 

La fórmula que s’utilitza per calcular l’energia d’un fotó és molt senzilla 

E= h·f

En l’equació, h és la constant de Planck (6,626·10^-34) i f  la freqüència de l’ona, que és el nombre d’oscil·lacions per segon. 

Transport d’energia i moviment 

Tornem ara a la pregunta que ens fèiem al principi sobre què significa que una ona transporta energia i moviment. 

Si col·loquem una peça que suri en l’aigua en un estanc i provoquem una ona, veurem com la peça oscil·la amunt i avall per un moment. Aquesta oscil·lació es deu que l’ona, que transporta moviment, ha sigut capaç de produir aquest moviment en la peça. Si una ona transportés matèria, aquesta peça s’hagués desplaçat, és a dir, la posició final hagués sigut diferent a l’inicial. Per entendre el transport d’energia, si col·loquem una turbina connectada a un transformador en algun punt on l’ona xoqui fort, aconseguirem transformar l’energia de l’ona en energia elèctrica. Amb aquests exemples podem entendre què significa el transport d’energia i moviment. 

Refracció de la llum

La refracció de la llum és el fenomen que consisteix en l’alteració de la direcció de propagació de la llum quan aquesta experimenta un augment o disminució de velocitat. La llum experimenta aquesta canvi de velocitat quan passa d’un medi a un altre.  

La llum, si viatja per un mateix medi, com l’aire, es propaga en línia recta. Això és perquè l’aire, com tots els medis, té un índex de refracció que és constant si la temperatura no varia. L’índex de refracció es calcula amb la següent fórmula: 

M= C/v

Això significa que l’índex de refracció d’un medi és igual a la velocitat de la llum en el buit (c) entre la velocitat de la llum en el medi en qüestió (v). L’índex de refracció sempre és més gran que 1. 

Aire-Aigua

L’índex de refracció de l’aire és aproximadament 1,00029, mentre que el de l’aigua és 1,33. Quan la llum passa de l’aire a l’aigua varia la direcció. Això fa que un llapis sembli estar deformat quan reposa en un got mig ple d’aigua. 

Els angles de la direcció dels raigs de llum respecte el pla que anomenen “normal” varien al canviar de medi. 

Continua llegint »

Neutrins

L’any 1896, el científic francès Henri Becquerel va descobrir accidentalment la radioactivitat natural. Va guardar en un mateix calaix unes sals d’urani i una placa fotogràfica, i va poder comprovar com, degut a la presència de l’urani, la placa ennegria.

En aquest "experiment", Becquerel també va descobrir la tercera força que opera en el món microscòpic, la interacció dèbil. El típic procés d’aquesta interacció era la desintegració coneguda amb el nom de desintegració beta.

La desintegració beta consisteix en l’emissió d’electrons des del nucli cap a l’exterior. Aquests electrons constitueixen els rajos beta. Aquests són emesos quan el nucli atòmic experimenta de manera espontània un canvi d’estat. Els científics van atribuir aquest canvi a la inestabilitat dels nucleoides (protons i neutrons).

L’estudi de la radioactivitat va inquietar durant molts anys a centenars de laboratoris d’arreu del món. Una de les figures més representatives del tal estudi fou Marie Curie, qui, amb la col·laboració del seu marit Pierre Curie, va descobrir el Radi i el Poloni, va aïllar el Radi i va estudiar la naturalesa i els compostos d’aquests element.

Desequilibri en la desintegració beta

L’estudi de la desintegració beta va topar en els anys 20 amb una paradoxa desconcertant: la massa del nucli inicial no corresponia amb la massa del nucli final més la dels electrons emesos. Això suposava que, durant l’emissió dels raigs beta, es violava el principi de conservació de l’energia, la qual cosa implicava qüestionar-se un dels fonaments més importants de la ciència. Durant un cert temps semblava inclús que s’havia d’abandonar aquesta llei, però, l’any 1930, el físic alemany Wolfang Pauli va suggerir l’atrevida idea d’un objecte petit neutre que s’emportava l’energia. Tal objecte tenia (o haver de tenir) les propietats necessàries com per no ser detectat.

Els neutrins de Pauli

Pauli creia que el principi de conservació de l’energia podia salvar-se si, juntament amb l’electró i el protó, el producte de la desintegració contenia una partícula elèctricament neutra, amb una massa nul·la o quasi nul·la. Aquestes característiques farien que la partícula en qüestió fos molt dèbil durant les interaccions.

L’any 1933, el físic italià Enrico Fermi va descriure com és el procés de la desintegració beta amb la premissa de l’existència dels neutrins: un neutró inestable es desintegra en un protó, un electró i un dels petits objectes neutres de Pauli, que s’emporta una petita quantitat d’energia. Fermi va anomenar aquest petit objecte neutre amb el nom de “neutrí”, ja que compleix les qualitats de ser neutre i petit. Ara sabem que de la desintegració beta, la causant de l’emissió dels neutrins, n’és responsable la interacció dèbil, que opera en el nucli atòmic.

Més ràpids que la llum? 

La massa dels neutrins 

Abans es creia que aquestes partícules subatòmiques no tenien massa, però, fins fa poc, sabem que sí en tenen, tot i que és tan petita que resulta difícil de detectar. És, aproximadament, una milmilionèsima part de la massa d’un àtom d’hidrogen (l’element més lleuger de l’Univers)!. Una de les característiques del neutrí que fa que el seu estudi sigui molt complicat és que interacciona dèbilment amb la matèria. Un neutrí és capaç de travessar la matèria ordinària sense pertorbar-la.

Resultats sorprenents en el CERN

En setembre de 2011, un experiment realitzat en el laboratori de Gran Sasso (CERN) va detectar un conjunt de neutrins que van viatjar a uns 6 quilòmetres/segon per sobre del límit dels 300.000 km/s que Einstein havia postulat en el seu treball de la Teoria de la Relativitat General de l’any 1915. Molts telenotícies van donar importància al fet que Einstein, una de les figures més importants de la historia de la ciència, s’hagués pogut equivocar. No obstant, a principis de 2012, un altre experiment en el mateix laboratori italià va demostrar que els neutrins no són més ràpids que la llum, sinó que es troben per sota del límit que, tot i haver sigut qüestionat, persistia immutable. El CERN va explicar que els resultats equivocats del primer experiment es devien a un error de medició. 

Continua llegint »

Partícules virtuals i partícules missatgeres

Una de les moltes implicacions de la mecànica quàntica que afecten al món subatòmic és que les partícules poden manifestar-se en “real” o en “virtual”. Les partícules reals són aquelles que podem mesurar, les que utilitzem en els experiments. Un comptador Geiger detecta un fotó real. En canvi, les partícules virtuals sorgeixen de préstecs d’energia i desapareixen just després de crear-se. Tot i això, actualment es creu que la naturalesa d’aquestes últimes podria estar relacionada amb la de les partícules missatgeres, aquelles que transmeten les forces d’acció a distància.

Les partícules virtuals

Les partícules virtuals són una determinada quantitat d’energia empaquetada (partícula) que existeixen durant un lapsus de temps molt curt. La curta esperança de vida de cada partícula ve determinada pel Principi d’Incertesa de Heisenberg, que diu que el producte de l’energia prestada i la duració del préstec ha de ser major que la constant de Planck dividida per dues vegades pi. Aquest “préstec d’energia” , que es pot extreure del buit, es retorna per tal de no violar el principi de conservació de l’energia, i a mesura que el préstec és més gran, el temps de vida per a la partícula virtual és més breu, la qual cosa significa que les variables “préstec” i “temps” són inversament proporcionals. Així doncs, aquestes partícules existeixen durant un període de temps tan curt que el principi d’incertesa ens prohibeix observar-les.

Les partícules virtuals són fruït de la permissivitat de la teoria quàntica, que permet crear partícules si s’obté l’energia necessària per fer-ho. Gran part de la comunitat científica és propensa a tenir en consideració les partícules virtuals perquè, tot i que no podem observa-les, la seva existència permetria explicar certs fenòmens, com per exemple, que són capaces d’influir en la matèria real. No obstant, els canvis que originen pràcticament no es poden detectar, motiu que impulsa la lluita per fer més precises les observacions.

De quina manera poden influir les partícules virtuals en la matèria real?

Parella de partícules matèria-antimatèria

Un fotó virtual, que es pot trobar orbitant al voltant d’un electró, és capaç de dissoldre’s i originar un positró (e+) i un electró (e-), sempre i quan la suma de l’energia d’ambdós sigui igual a la del fotó. Com que el que s’ha format és una partícula de matèria i l’equivalent en antimatèria, ambdós corpuscles s’aniquilen mútuament. Fruït d’aquest alliberament d’energia es crea un fotó l’energia del qual és igual a la suma de l’energia de la parella de partícules matèria-antimatèria. Aquest fotó serà capaç de dissoldre’s en uns altres positrons i electrons, i aquests d’originar un altre fotó, i així, successivament. D’aquesta manera, sense vulnerar les lleis físiques, un fotó virtual és capaç d’influir en les propietats d’un electró real.

Partícules missatgeres

El Model Estàndard descriu les forces fonamentals (electromagnètica, nuclear forta, dèbil i gravitatòria) com un conjunt d’interaccions que es donen en un camp. El concepte de camp fa referència a una quantitat física associada a cada punt de l’espai. Un camp elèctric, per exemple, és la regió d’espai creada per una càrrega elèctrica on serà capaç d’interaccionar amb un cos de naturalesa elèctrica. Els camps van ser introduïts per explicar el funcionament de l’acció a distància.

Segons el Model Estàndard, els cossos interaccionen en un camp mitjançant l’emissió i la recepció de partícules que anomenen amb el nom de partícules missatges o portadores. Cadascuna de les quatre forces que contempla el Model Estàndard té associada una partícula portadora característica.

Partícules missatgeres associades a cada força

• Els fotons són portadors de la força electromagnètica.
• Els gluons són portadors de la força nuclear forta.
• Els bosons W i Z són portadors de la força nuclear dèbil.
• Els gravitons podrien ser els portadors de la força gravitatòria. Encara estan per descobrir. 

Tot i que els gravitons encara no s’han observat, els físics teòrics han predit certes propietats que aquests “paquets mínims” de la força gravitatòria deuen tenir. 

Els constituents mínims de cada camp transporten el missatge adequat per fer viable la interacció entre cossos. Mirem-nos-ho amb els fotons: quan dues càrregues elèctriques es repelen comparteixen fotons amb el missatge de no atreure’s, mentre que l’atracció es produeix quan el missatge és el de fer-ho. El comportament de la resta de partícules missatgeres és anàleg en cadascuna de les forces que transmet.

Es creu que les partícules missatgeres són, en la majoria dels casos, partícules virtuals, ja que romanen ocultes en el sistema on interactuen. Un electró pot emetre un fotó virtual que desencadeni una sèrie d’esdeveniments que el connectin amb les partícules carregades que existeixin.

1.La força nuclear forta és la que manté els protons i els neutrons en el nucli.
2.Els bosons són un dels dos tipus elementals de partícules (l’altre són els fermions).
3.La força nuclear dèbil explica la radioactivitat i la desintegració beta.

Continua llegint »

El teroema de Bell

Veure abans: Realitat i Separabilitat

El teorema de Bell és un teorema que s'aplica en la mecànica quàntica i que demostra que la imatge d'un Univers amb realitat i separabilitat no correspon amb la del nostre. El seu autor va ser el físic irlandès John Bell, qui, motivat per l'artcile EPR, va decantar la balança a favor de la mecànica quàntica, la qual s'oposa a les premisses de la realitat i separabilitat per a la descripció correcta del nostre Univers.

Desigualtats de Bell

El treball de John Bell parteix d’experiments en els quals difereixen els resultats en funció de si els interpretem mitjançant la mecànica quàntica o el pensament raonable. La mecànica quàntica nega les condicions de realitat i separabilitat, mentre que el pensament raonable no entén la nostra existència sense alguna d’aquestes dues. Així doncs, si fem un experiment que afecti un parell de partícules haurem de suposar que: 

1. Ambdues partícules s’influeixen instantàniament i el seus estats físics són creats per l’observació. 
2. Ambdues partícules no poden afectar-se de cap manera si no és a través de forces físiques i l’observació no influeix en el seus estats físics. 

És lògic afirmar que, amb dues interpretacions (la quàntica i la raonable), hauríem d’obtenir dos resultats diferents. No obstant, el nostre Univers no pot contemplar les dues, així que els experiments ens diran quina és la interpretació que s’aproxima més a la realitat. Si es demostrés que la descripció correcta de la realitat és la raonable, la mecànica quàntica s’hauria de considerar incorrecta. 

Els experiments que Bell va imaginar abraçaven els supòsits raonables. Dins d’aquest marc no mecano-quàntic, Bell va deduir que certes magnituds observables havien de ser majors que altres magnituds observables. Aquesta predicció comprovable s’anomena “desigualtat de Bell”. Si, a través d’un experiment real, es constata la violació de la desigualtat de Bell, una o les dues premisses de les que parteix ha de ser falsa, és a dir, si es demostra que la desigualtat de Bell no es compleix, la descripció mecano-quàntica del nostre Univers serà la correcta. 

Quan es van fer els experiments es va veure que la desigualtat de Bell no es complia. Les premisses de realitat i separabilitats conduïen a una descripció equívoca pel nostre món. 

Experiments de Bell

En veritat, els experiments que van constatar que la desigualtat de Bell no es complia els va dur a terme el físic nord-americà John Clauser, qui va idear un procediment per a fer-ho. 

Experiments amb fotons polaritzats 

*Experiment 1:

En aquest experiment tenim un parell de detectors de fotons que, en funció de la polarització del fotó que se’ls acosta, els deixarà passar (trajectòria 1) o els farà xocar i canviar de direcció (trajectòria 2). Cada detector està situat en un punt equidistant d’on s’emeten fotons bessons. Com que cada fotó estarà igual de lluny del seu detector, ambdós seguiran o la trajectòria 1 o la 2 alhora. Els fotons bessons de cada parella tindran la mateixa polarització. No obstant, no tots els parells tindran la mateixa. Amb això obtindrem fotons que seguiran la trajectòria 1 i fotons que seguiran la 2. 

Si els dos detectors estan orientats en vertical respecte l’eix de propagació dels fotons, tan sols passaran aquells fotons la polarització de la qual s’acosti a l’angle del detector. Un fotó horitzontal no passarà i seguirà la trajectòria 2. 

Al final de l’experiment, s’obtenen els resultats següents:

Aquesta taula indica que si un fotó ha seguit la trajectòria 1 o 2, el seu bessó ha seguit la mateixa. Els resultats de cada detector coincideixen al 100%. 

*Experiment 2:

En aquest segon experiment un dels dos detectors ha estat inclinat respecte l’altre un angle que afecti al 5% dels fotons, i que anomenarem α. Els resultats són:

Els fotons indicats en vermell són la tassa d’error del 5%. Mentre que un ha seguit la trajectòria 2, l’altre ha seguit la 1. 

En l’experiment 3 s’inverteixen els papers. El detector amb la inclinació α torna a ser vertical i el vertical té la inclinació α. Òbviament, els resultats tornen a ser els mateixos: una tassa d’error del 5%. 

*Experiment 4:

Ara els dos detectors s’inclinen alfa. Però mentre que un s’inclina 90- α, l’altre s’inclina 90+ α, és a dir, un s’inclina en el sentit de les agulles del rellotge i l’altre, en el contrari. El resultat esperat serà el d’una tassa d’error màxima al 10% (5% de tassa d’error que hem obtingut en l’experiment 2 més el 5% que hem obtingut en el 3).
El resultat esperat serà el d’una tassa d’error màxima al 10% (5% de tassa d’error que hem obtingut en l’experiment 2 més el 5% que hem obtingut en el 3). La tassa d’error podrà ser menor del 10%, però només si el comportament d’un fotó pot fer que el seu bessó es comporti de la mateixa manera. Això és una desigualtat de Bell. Així doncs, per a què la desigualtat de Bell es compleixi la tassa d’error en l’últim experiment haurà de ser igual o menor al 10% (tassa d’error ≤ 10%).

Els resultats de Clauser 

Quan John Clauser va reproduir aquests experiments va obtenir que, per certs angles, la tassa d’error quan els detectors es feien girar en sentits oposats era major que el doble de la tassa d’error per a un sol detector. D’aquesta manera, va demostrar que la desigualtat de Bell s’incomplia, i com que aquesta partia de les premisses de realitat i separabilitat, alguna d’aquestes dues havia de ser falsa. La descripció raonable del nostre Univers es va declarar errònia.

Continua llegint »

Realitat i Separabilitat

La realitat i la separabilitat són les premisses d’un Univers raonable, aquell que la física ha acceptat durant molts anys i que ha complagut a mentalitats tan conservadores (en aquest aspecte) com la de Newton o la d’Einstein. No obstant, des del naixement de la mecànica quàntica, aquestes premisses s’han posat en dubte, fins al punt que, sembla ser, que el nostre Univers no pot ser real i separable al mateix temps. Anem a veure quin significat tenen per la física els termes “realitat” i “separabilitat”.

Realitat

Si el nostre Univers fos “real”, les propietats físiques de la matèria no serien creades per la observació, tal i com defensa la mecànica quàntica, sinó que serien una qualitat intrínseca de tot cos, independentment de si és observat o no. Albert Einstein era partidari d’aquest pensament. Ell creia que una partícula tenia una realitat separada, independent dels mesuraments. “M’agrada pensar que la Lluna està allà encara que no l’estigui mirant”, va dir un cop.

Així doncs, “realitat” és la paraula que s’utilitza per referir-se a les propietats físiques reals de tots els objectes que no són creades per l’observació. “Si un mitjó és verd, no deixarà de ser-ho en el moment que no és observat, o, si la massa d’una partícula és 1,01 vegades superior a la d’un protó, no variarà quan ningú la mesuri”. Si més no, això és el que ve a dir el terme realitat, que no distingeix entre els cossos macroscòpics i els microscòpics.

En un Univers amb realitat mai trobaríem gats com el de Schrödinger, ja que el fet que no es produís cap observació en l’interior de la caixa no implicaria un estat de superposició, i, per tant, un gat viu i mort no seria possible.

Separabilitat

Si el nostre Univers contemplés la separabilitat, dos objectes que, degut a la seva llunyania, no poguessin interactuar entre ells a través d’alguna força física (és a dir, que es propagui a la velocitat de la llum) mai podrien influenciar-se l’un amb l’altre. El concepte de separabilitat trenca amb el de “connectivitat universal”, que defensa l’existència de les “accions fantasmals”, aquelles “influències” capaces d’alterar objectes de diferents galàxies instantàniament. La premissa de la separabilitat és va posar en dubte quan Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen van publicar l’any 1935 un article que actualment coneixem amb el nom de EPR, en el qual volien demostrar que la interpretació que la mecànica quàntica dels anys 30 feia de l’Univers era incomplerta. Va ser la resposta que Bohr va fer a aquell article la que va començar a parlar, en termes científics, d’una connectivitat universal, que, a molts, els pot semblar més una creença mística que no una hipòtesi científica.

El teorema de Bell i la demostració experimental

En una època que els físics no es preguntaven quin significat tenia la mecànica quàntica, i que no s’ocupaven de demostrar-la experimentalment pel simple fet que funcionava, cal destacar dos noms: John Bell i John Clauser. En la pròxima entrada veurem les contribucions que van fer aquests dos homes a la física moderna.

Continua llegint »

Fotons bessons

El pas que fa un àtom d’un estat d’excitació alt a un de baix o viceversa rep el nom de salt quàntic. Per no contradir el principi de conservació de l’energia, quan un àtom passa d’un estat excitat a un de menys emet energia en forma de paquets, coneguts com fotons (gràcies a Einstein sabem que la llum és un flux de fotons). En canvi, quan un àtom augmenta el seu grau d’excitació absorbeix fotons, els quals aportaran una certa quantitat d’energia, que serà inversament proporcional a la seva longitud d’ona: tal i com sabem gràcies a la teoria quàntica, un fotó amb una longitud d’ona curta té més energia que no pas un amb una longitud més llarga. Aquest fet queda manifestat amb la potència de penetració que tenen els raigs X respecte la llum visible, que és major perquè la longitud d’ona d’aquests primers és més petita.

En aquesta entrada ens fixarem amb els fotons que són emesos quan un àtom allibera energia, i veurem com la mecànica quàntica els interpreta dins del marc teòric de la Interpretació de Copenhage.

Amb la mateixa polarització

Alguns estats excitats d’un àtom són tan alts que aquest torna al seu estat fonamental mitjançant dos salts quàntics successius. Cadascun d’aquests salts ha alliberat un fotó, l’energia del qual dependrà de si el salt quàntic s’ha produït entre dos nivells pròxims o allunyats, i, com que s’han produït quasi simultàniament, el resultat obtingut són dos fotons que han “nascut” del mateix àtom. Els científics van qualificar aquests fotons amb l’adjectiu de bessons, ja que presenten certa analogia amb els bessons idèntics que neixen d’una mateixa mare: ambdós són pràcticament simultanis, i ambdós presenten trets quasi idèntics, tot i que en el cas dels fotons veurem que aquestes característiques seran del tot idèntiques.

Polarització electromagnètica

La polarització electromagnètica (que escurçarem i anomenarem com polarització) és una característica de les ones electromagnètiques, és a dir, aquelles que poden propagar-se pel buit i que són una pertorbació del camp electromagnètic, com la llum o les ones de ràdio. Aquesta característica remet a la direcció d’oscil·lació d’una ona respecte el pla de propagació en camp elèctric. Ens podem trobar llum polaritzada verticalment o horitzontal, i amb fotons polaritzats perpendiculars o paral·lels a un eix, per exemple, d’un detector. Però també ens podem trobar amb fotons que no estan polaritzats ni perpendicularment ni paral·lelament, sinó amb un determinat angle. Un exemple fàcil és l’angle de 45º, que la resultant de la component “paral·lela” i “perpendicular”.

En aquest esquema, l’eix y seria la component perpendicular sempre i quan x fos la paral•lela. La resultant té un angle alfa, de 45º. 

Amb això hem vist que existeixen diferents tipus de polaritzacions a part de la perpendicular i la paral•lela. Un ona electromagnètica pot tenir una polarització de x graus, que en funció de si és major o menor de 45º, estarà més a prop de ser perpendicular o de ser paral•lela al pla de propagació. 

Llum no polaritzada: 

La majoria de la llum, com la que procedeix del Sol o de les bombetes, és llum no polaritzada, és a dir, ones que vibren en tots els angles. Aquesta és una característica fonamental de la llum natural capaç d’il•luminar una habitació sencera que compti amb uns mínims punts de llum. Això ens pot recordar a una propietat que vam veure en una entrada anterior; que la llum es transmet en totes les direccions: si tanques una bombeta encesa dins d’una capsa amb forats, la llum s’escaparà per tots els forats, el que significa que no segueix una direcció determinada sinó totes les possibles. 

Ara que sabem què és la polarització, i que no tots els fotons presenten la mateixa polarització, podem continuar parlant sobre els fotons bessons. 

Els fotons que són emesos per un mateix àtom i que anomenen amb el nom de fotons bessons comparteixen polarització. Hem de tenir en compte que els fotons no estan quiets, sinó que es mouen a la velocitat de la llum i, per tant, s’allunyen l’un respecte l’altre a una velocitat increïble. Però no ens ha de resultar estrany el fet que dos fotons bessons comparteixin polarització. El llibre “L’enigma quàntic”, de Bruce Rosenblum i Fred Kuttner, ens conviden a interpretar-ho de la següent manera: 

“No ens sorprèn que dos bessons idèntics exhibeixin el mateix color d’ulls, ja que els bessons idèntics són creats amb el mateix color d’ulls.” (p.162). 

No obstant, la mecànica quàntica afirma que si els fotons ens qüestió no són observats la seva polarització serà indefinida, però igual, és a dir, els fotons es troben immersos en un estat de polarització idèntic, però no particular. En el mateix llibre fan servir la següent analogia:

“Suposem que sempre que un bessó escull mitjons verds, l’altre també (encara que ningun d’ells tingui informació sobre el color dels mitjons del seu germà). Això sí seria estrany.” (p.162). 

Doncs això és el que passa amb els fotons bessons. Si observem un dels dos fotons i desvetllem la seva polarització, immediatament coneixem la polarització de l’altre, sense haver-lo d’observar. Si la polarització d’un fotó és X, la de l’altre serà X. Aquest fet tan fascinant sembla contradir la mecànica quàntica, ja que un dels pilars d’aquesta afirma que per conèixer la propietat d’un cos primer l’hem d’observar, i en aquest cas no ens fa falta. Això ens remet a l’article EPR, que es preguntava si la descripció mecanoquàntica de la realitat física podia considerar-se completa. El físic teòric danès Niels Bohr va oferir la resposta que veurem a continuació i que hem adaptat:

És cert que els dos fotons no poden exercir entre ells una pertorbació mecànica, però sí que entre ells existeix una influència instantània.

Albert Einstein va anomenar aquesta “influència instantània” amb el nom de “accions fantasmals”. No cal dir que el físic alemany estava totalment en contra de l’existència d’aquestes accions fantasmals, però, en els anys setanta, una sèrie d’investigacions van demostrar que les accions fantasmals de Bohr existeixen.  

Continua llegint »