Fizyka 
 
Polaryzacja
WGan
Jednym ze dowodów falowej natury światła jest zjawisko polaryzacji. Jeśli światło przepuścimy przez polaryzator – przejdzie jedynie jego część (około 65%). Pojedynczy polaryzator, na pierwszy rzut oka będzie sprawiał wrażenie filtru szarego. Jeśli jednak umieścimy za nim drugi – taki sam polaryzator – nie będzie on w ogóle dodatkowo tłumił światła, ale jeśli przekręcimy go o 90 stopni – to przez oba polaryzatory - żadne światło nie przejdzie

Takie zachowanie wynika z tego, że polaryzatory polaryzują przechodzące światło przepuszczając tą część światła, które jest spolaryzowane zgodnie z kierunkiem polaryzacji polaryzatora, zatrzymując to które jest spolaryzowane inaczej. Strasznie dużo tu tej polaryzacji.

 

Więc od początku. Fala elektromagnetyczna, to taka fala, w której drga pole elektryczne i magnetyczne. Wartość pola elektrycznego, a właściwie jej kierunek – bo natężenie pola elektrycznego jest wektorem - może zachowywać się w określony sposób. Fale elektromagnetyczne – są falami poprzecznymi – to znaczy wektor ten jest zawsze prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Może on jednak zachowywać stały kierunek ale zmieniać wartość, lub krążyć zmieniając kierunek. W pierwszym wypadku mamy do czynienia z polaryzacją liniową, w drugim – kołową. Polaryzatory liniowe, tłumią drgania pola elektrycznego w jednym z kierunków, więc światło po przejściu przez polaryzator, będzie miało polaryzację liniową, a jego natężenie, będzie zawsze o tyle, o ile rzut wektora polaryzacji, na kierunek polaryzatora jest mniejszy od jego początkowej wartości.

Trochę to skomplikowane, ale rządzi tym stosunkowo prosta geometria. Jednak jest pewien problem. W wiecie cząstek elementarnych, które są niepodzielne, nie może przez polaryzator przejść kawałek cząstki. Fotony są niepodzielne i nie mogą mieć mniejszej energii bez zmiany częstości – a co za tym idzie barwy światła. A tego nie obserwujemy w przypadku światła przechodzącego przez polaryzator. Zamiast tego, cząstka przejdzie albo nie, z zadanym prawdopodobieństwem. Co ważne, foton po przejściu ma taką polaryzację – jaką ma polaryzator.

I tu zaczyna być ciekawie, bo okazuje się że foton albo w całości przeszedł, albo nie, czyli albo miał polaryzację zgodną ze spodziewaną, albo do niej prostopadłą. I to bez względu na to jak ustawimy polaryzator. Czyżby więc foton z góry wiedział z jakim polaryzatorem przyjdzie mu się spotkać1, albo dopiero podczas spotkania z polaryzatorem, decyduje się jaką tak właściwie ma polaryzację. Możemy rozważać obie opcje, sięgnijmy po drugi polaryzator a będzie jeszcze dziwniej.

Jeśli umieścimy dwa polaryzatory jeden za drugim, to pierwszy przepuści światło spolaryzowane liniowo o ściśle określonym kierunku polaryzacji. Teraz żaden z fotonów, docierających do drugiego polaryzatora nie może się tłumaczyć, że nie wiedział jak był spolaryzowany. Skoro przeszedł – to jego polaryzacja była całkiem konkretna. Teraz trafia na kolejny polaryzator, który zadaje mu pytanie na które odpowiada tak lub nie. I wcale nie musi to być pytanie o kierunek zgodny lub prostopadły. Bo polaryzatory mogą być obrócone względem siebie o dowolny kąt – na przykład o 45 stopni.

 

Wykonując doświadczenie z normalnym światłem, zauważymy, że zmieniło się natężenie światła przechodzącego przez oba polaryzatory w stosunku to tego które przechodziło przez jeden polaryzator (albo przez dwa zorientowane równolegle). Jednak trudno zaprzeczyć, że część światła przeszła. Klasycznie – czyli falowo – możemy to sobie wytłumaczyć przy pomocy prostej trygonometrii i rzutu wektora pola elektrycznego na płaszczyznę polaryzacji. Ale w mikroświecie? Co jeśli będziemy patrzyli na sprawę z punktu widzenia pojedynczych cząstek? Jeśli przez dwa polaryzatory przechodzi 30% fotonów – to co decyduje o tym, że niektóre przeszły a inne nie? Zwróćmy uwagę, że wszystkie docierające do drugiego polaryzatora - mają dokładnie taką samą polaryzację. Tu nie ma mowy o tym, że któremuś bliższa jest właśnie ta, a nie inna polaryzacja. Czy o tendencji do zmiany polaryzacje bardziej w prawo czy też bardziej w lewo decydują jakieś nie znane nam poglądy fotonów? Jeszcze krok, a cząstki subatomowe zaczniemy podejrzewać o samoświadomość czy marzenia.

A czy jest inne – logiczne wytłumaczenie? Jest, ale czy jest ono logiczne – to zupełnie inna sprawa, zwłaszcza jeśli logikę oprzemy na obserwacjach otaczającego nas świata. Foton, jako, że jest niepodzielny, może przejść lub nie, zmieniając przy tym polaryzację z określonym prawdopodobieństwem. Prawdopodobieństwo to zależy od tego jak bardzo polaryzacje musi zmienić, i jedyne co można powiedzieć – to jakie jest owo prawdopodobieństwo. To ważne – nie ma tu przyczyn wyboru tej czy innej zmiany.

Czy więc polaryzator zachowuje się jak bramkarz, który nie wpuszcza w obuwiu sportowym? Trochę tak. Także i tu mamy całe spektrum rodzajów i fasonów butów, bo nie wszystkie można zakwalifikować jako „adidasy” lub „buty wizytowe”. A sprawdzamy tylko jedną cechę, zresztą ustawioną dość subiektywnie – czy but jest sportowy. Kwestią osobistych preferencji bramkarza jest wpuszczenie kobiety w balowej sukni i powiedzmy butach narciarskich, łyżwach czy wędkarskich woderach. Kolejny polaryzator gości może zwracać uwagę na właściwości taneczne – a więc sportowe jak najbardziej by się łapały, ale wysokie szpilki (zwłaszcza u panów) – już niekoniecznie.

Jeszcze ciekawiej się robi, jeśli pomiędzy dwa prostopadle zorientowane polaryzatory, które wspólnie w ogóle nie przepuszczają światła umieścimy trzeci. Nagle część światła zaczyna przechodzić. Nie musi to być nawet trzeci polaryzator, ale jakakolwiek substancja optycznie aktywna – czyli taka która skręca (lub zmienia) polaryzację światła, a warto wiedzieć że istnieją specjale substancje które mogą zmieniać swoją aktywność optyczną pod wpływem pola elektrycznego. Przykładem takich substancji – są ciekłe kryształy, których niezwykłe właściwości wykorzystywane są w wyświetlaczach monitorów ekranowych.

Doświadczenie z trzema polaryzatorami pozwala odpowiedzieć na pytanie które nurtowała fizyków zajmujących się mechaniką kwantową, jednocześnie nie mogących uwierzyć, że „Bóg gra w kości” dając doświadczalne dane pozwalające udowodnić twierdzenie Bella i jednoznacznie wykazując, że właściwości kwantowe zależą od ich obserwacji2. Zupełnie jakby buty zmieniały się w takie jakie dla ochroniarza są najlepiej rozpoznawalne – to znaczy adidasy lub wizytowe, a le wtedy drugi ochroniarz powinien je zakwalifikować…

Za daleko posunęliśmy się z tą analogią. Powiedzmy, że środkowy ochroniarz, samą decyzją wpuszczenia lub nie, zmieniał spojrzenie kolejnego ochroniarza, na przychylniejsze, jeśli obaj mają podobne gusta.

I znów zła analogia. Polaryzatory się nie porozumiewają.


1
 co nie jest takie nierealne, zważywszy, że zgodnie z mechaniką relatywistyczną, jakiej podlega poruszając się z prędkością światła – jest wszędzie na swojej drodze w tej samej chwili czasu. Oczywiście z własnego punktu widzenia
2
 Pod nazwą „obserwacja” fizycy rozumieją oddziaływanie z aparaturą pomiarową.
 
Opinie
 
Facebook
 
  
3291 wyświetleń

numer 10/2017
2017-10-08

Od redakcji
Dla młodszych
Fizyka
Język
Literatura
Polityka
Rozmaitości

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net