El amigo Antonio Martínez Ron @aberron ha jugado con polarizadores en Órbita Laika. Y ha mostrado un maravilloso efecto que aparece cuando superpones tres de esos bichos. Aquí la explicación cuántica 🙂
La luz está compuesta por fotones y estos fotones tienen una característica que se denomina helicidad (que es el análogo del espín, lo que pasa es que en partículas sin masa se usa la otra palabra por cuestiones técnicas, esto solo lo digo por información). Esto es el origen de la polarización de la luz.
Los polarizadores son materiales que solo dejan pasar luz polarizada de una determinada manera. Sigue leyendo para empaparte del tema 🙂
Helicidad del fotón
Lo primero, representaremos un fotón
Los fotones son partículas que se mueven siempre a la velocidad de la luz (como no puede ser de otra manera porque son las partícula de luz) cuando están en el vacío y aproximadamente en el aire.
El fotón tiene una helicidad (espín) que podemos considerarlo pedestremente como una oscilación alrededor de la dirección de movimiento.
Si vemos un fotón venir hacia nosotros los estados de helicidad básicos serían vertical y horizontal respecto a su dirección de movimiento y nuestra línea de observación:
Esto se puede representar de la siguiente forma:
|Fotón Vertical> |Fotón Horizontal>
Ahora ponemos un polarizador en disposición vertical respecto a la dirección de movimiento de la luz incidente:
El resultado es que todos los fotones pasan sin problemas.
Si giramos el polarizador 90º el resultado, como y sabes, es que no pasa ningún fotón. Se bloquea la luz.
Pasaría lo mismo si empezamos con luz polarizada horizontalmente. Si el polarizador está vertical no pasa luz y si está horizontal deja pasar toda esa luz.
El juego de los dos polarizadores
Hasta ahora hemos hablado solo de dos estados de helicidad/polarización de los fotones, el vertical y el horizontal. Y hemos visto como dichos estados son excluyentes en el sentido de que solo pasan cuando el polarizador está en la dirección correcta.
Sin embargo, en la luz natural, los fotones no tienen helicidades solamente verticales u horizontales, pueden tenerla en cualquier dirección respecto a su dirección de movimiento:
Si ahora pones un polarizador en cualquier dirección en la dirección de movimiento de esa luz seleccionarás la luz polarizada en esa dirección:
Por simplicidad hemos puesto el polarizador en vertical pero lo podríamos haber puesto en cualquier dirección que hubieramos querido. El resultado es que solo pasa la luz que tenga fotones con la helicidad/polarización en dicha dirección.
Si ahora pones un segundo polarizador en una dirección perpendicular (horizontal en este caso) toda la luz se bloquea:
Lo maravilloso de la cuántica
La cuántica tiene la insana costumbre de responder cuando se le pregunta. ¿Eso qué quiere decir?
Si ahora ponemos un polarizador entre los dos anteriores girado 45º respecto de sus respectivas direcciones encontramos que sale luz por el último polarizador. ¿Eso cómo puede ser?
Retomemos los casos anteriores:
- Ahora ponemos un polarizador girado 45º respecto a este:
¿Los fotones pasan o no pasan? La respuesta es que algunos pasan. Y es que nosotros le estamos preguntando a los fotones si están polarizados respecto a 45º de la dirección de salida del anterior polarizador. Los fotones que salen del mismo tienen el estado |Fotón Vertical>. Pero ahora le estamos preguntando sobre 45º respecto a la vertical, pero la cuántica nos dice que cada fotón –—– |Fotón Vertical> se puede escribir como una combinación:
|Fotón Vertical>= 50% |Fotón a 45º respecto a la vertical> + 50% |Fotón a -45º respecto a la vertical>
Que se interpreta como que cada fotón polarizado verticalmente tiene un 50% de pasar por un polarizador situado a 45º respecto de la dirección del primer polarizador.
Así que a la salida de dicho polarizador a 45º tendremos:
Los fotones de salida tendrán un estado: |Fotón a 45º respecto a la vertical>. Y la intensidad de salida será la mitad de la del primero.
- Si ahora colocamos un tercer polarizador perpendicular al primero, volvemos a tener lo mismo. Se encuentra con fotones cuyos estados son |Fotón a 45º respecto a la vertical>, pero nosotros le estamos preguntando sobre la polarización horizontal. Pero la cuántica nos dice que:
|Fotón a 45º respecto a la vertical>= 50% |Fotón Vertical> + 50% |Fotón Horizontal>
Por tanto hay un 50% de posibilidades de que pasen fotones por el polarizador horizontal.
Y por eso sale luz al poner un polarizador a 45º entre dos polarizadores perpendiculares. De hecho, en condiciones ideales la luz que sale tiene una intensidad de salida que es un 25% de la intensidad que sale del primer polarizador.
Lo que yo remarcaría de este tema
a) La cuántica describe estados que se pueden reexpresar como combinaciones de otros estados. Por ejemplo:
|Fotón Vertical>= 50% |Fotón a 45º respecto a la vertical> + 50% |Fotón a -45º respecto a la vertical>
|Fotón a 45º respecto a la vertical>= 50% |Fotón Vertical> + 50% |Fotón Horizontal>
b) En dichas combinaciones la cuántica te dice con qué probabilidad veremos uno de los estados que forman parte de la combinación.
c) Cuando medimos, en este caso cuando ponemos el polarizador, de dichas combinaciones solo sobrevive un estado:
En el primer caso sobrevive |Fotón a 45º respecto de la vertical>
En el segundo caso sobrevive |Fotón Horizontal>
El estado combinado HA COLAPSADO a uno de sus constituyentes, y esto está relacionado con el gato de Schrödinger por si quieres comentarlo.
c) Posibilidades perpendiculares son excluyentes entre sí. Si tengo luz polarizada en la vertical no pasará por un polarizador horizontal y viceversa.
d) Esto que hemos hecho con direcciones verticales y horizontales se puede hacer en cualquier par de direcciones perpendiculares, y para el polarizador que metes entre esos dos que esté a 45º respecto a ellos. Vertical y horizontal no son determinantes, lo importante es que sean perpendiculares entre sí y que el otro, el que metes por medio, esté a 45º respecto a las direcciones de los dos anteriores.
Este experimento pone de manifiesto la propia estructura de la mecánica cuántica aunque hay que tener en cuenta varias cosas:
1.- Todo esto se puede explicar sin mecánica cuántica. Aunque la razón última sea totalmente cuántica se puede llegar a las mismas conclusiones en física clásica. Pero eso no quiere decir que la explicación sea incorrecta sino que aquí la cuántica no es del todo evidente. Pero sabemos que es así porque hemos acumulado resultados experimentales durante más de 100 años que se basan en esta explicación del comportamiento cuántico de la luz. Y ahora tenemos experimentos de polarización con un fotón solo y eso no se puede explicar con la física clásica.
2.- Lo que hemos explicado de la polarización/helicidad de los fotones no es totalmente cierto, en realidad los polarizadores más usuales, con los que se han hecho estas pruebas en el programa, casi con toda seguridad son polarizadores circulares y no lineales que son con los que hemos usado en el ejemplo y los estados de helicidad serían circulares, algo así como si el fotón gira a izquierdas o a derechas respecto a su dirección de movimiento. Pero eso no es un problema porque siempre podemos traducir polarizaciones circulares a lineales (las que hemos usado) y viceversa.
Gracias a Órbita Laika por existir y ojalá nos acompañe mucho tiempo en nuestras pantallas.
Nos seguimos leyendo…
Cuentos Cuánticos 