一位好奇的量子力学观察者指南，pt。 2：粒子熔炉
本世纪最安静的革命之一是量子力学进入我们的日常技术。过去，量子效应仅限于物理实验室和精细的实验。但是现代技术的基本操作越来越依赖于量子力学，并且量子效应的重要性只会在未来的几十年中增长。因此，物理学家米格尔·莫拉莱斯（Miguel F. Morales）承担了艰巨的任务，在这个由七个部分组成的系列文章中，向我们其他外行讲解了量子力学（我们不保证没有数学）。以下是该系列的第二个故事，但是您始终可以在这里找到起始故事。
欢迎回来，我们第二次带您走进量子力学树林！上周，我们看到了粒子如何像波浪一样运动并像粒子一样撞击，以及单个粒子如何采取多条路径。令人惊讶的是，这是量子力学领域中一个颇为探索的领域-它位于访客中心周围铺砌的自然小径上。
本周，我想走下铺平道路的路，深入树林，以便讨论运动时粒子如何融合和结合。这是物理学专业通常保留的一个话题。在热门文章中很少讨论。但是，收获是了解精密激光雷达的工作原理，并看到实验室中制造的一项伟大发明，即光学梳。因此，让我们把（量子）远足靴弄得有点脏-这是值得的。
让我们从一个问题开始：如果粒子像波一样运动，当我重叠两个粒子的路径时会发生什么？或者说另一种方式，粒子波是否仅与自身相互作用，或者它们混合在一起？
我们可以通过修改上周使用的设置在实验室中进行测试。不必将来自一个激光器的光分成两个路径，我们可以使用两个单独的激光器来产生进入最后一个半镀银镜的光。
我们需要小心使用的激光，并且激光笔的质量不再能胜任这项任务。如果仔细测量普通激光器发出的光，则光的颜色和波的相位（当出现波峰时）会四处徘徊。我们的眼睛看不到这种颜色漂移-激光仍然看起来是红色-但事实证明，确切的红色阴影会有所不同。钱是一个问题，现代技术可以解决—如果我们掏出足够的现金，就可以购买精密锁模激光器。由于这些，我们可以拥有两个激光器，它们都发射具有相同颜色的光子，并具有时间对准的波峰。
当我们结合来自两个高质量激光器的光时，我们会看到与以前完全相同的条纹图案。由两种不同的激光产生的粒子波正在相互作用！
那么，如果我们再次达到单光子极限会怎样？我们可以将两个激光的强度降低得如此之低，以至于我们看到光子一次出现在屏幕上，就像小彩弹一样。如果速率足够低，则一次在激光器和屏幕之间将仅存在一个光子。当我们执行此实验时，我们将看到光子一次到达一个屏幕。但是当我们看累积的点画画时，我们会看到与上周相同的条纹。再一次，我们看到了单个粒子的干扰。
事实证明，我们之前进行的所有实验都给出了完全相同的答案。大自然并不关心一个粒子是否在与自身相互作用或两个粒子是否在彼此相互作用—波就是波，而粒子波的作用就像其他波一样。
但是现在我们有了两个精密激光器，我们可以尝试许多新的实验。
首先，让我们尝试干扰不同颜色的光子。让我们以其中一种激光器的颜色为准，使其更蓝一些（更短的波长）。当我们看屏幕时，我们再次看到条纹，但是现在条纹缓慢地向侧面移动。条纹的外观及其运动都很有趣。
首先，我们看到条纹的事实表明不同能量的粒子仍在相互作用。
第二个观察结果是，条纹图案现在与时间有关；条纹走到一边。随着我们使激光器之间的颜色差异变大，条纹的速度增加。听众中的音乐家已经意识到我们所看到的跳动模式，但是在进行解释之前，让我们改进实验设置。
如果我们愿意使用窄激光束，则可以使用棱镜组合光流。棱镜通常用于分离单个光束，并以不同的方向发送每种颜色，但是我们可以向后使用它，并且仔细对准后，可以使用棱镜将来自两个激光器的光合并为单个光束。
如果我们观察组合激光束的强度，我们将看到光“拍”的强度。虽然来自每个激光器的光是稳定的，但当它们的颜色略有不同的光束组合时，最终的光束会从明亮的振荡到暗淡。音乐家会通过调音来识别这一点。当音叉发出的声音与略微失调的琴弦的声音结合在一起时，随着声音在响亮的声音和柔和的声音之间振荡，人们可以听到“节拍”。节拍的速度就是频率的差异，通过将节拍的速度调整为零（频率的零差异）来调弦。在这里，我们看到的是光的变化-拍频是激光器之间的色差。
尽管在考虑乐器弦时这很有意义，但在考虑光子时却令人惊讶。我们从两束稳定的光开始，但是现在，光被聚集成了明亮的时间和模糊的时间。随着激光器颜色之间的差异变大（它们被失谐），脉冲变得越快。
那么，如果我们再次降低激光器的功率真的会怎样呢？再次，我们看到光子像小彩弹一样一次击中我们的探测器。但是，如果我们仔细观察光子到达的时间，就会发现它不是随机的，它们随拍子及时到达。不管激光转向多低，光子都如此稀有，以至于每100拍只显示一次。但是，它们总是与拍一起及时到达。
如果我们将本实验中光子的到达时间与上周使用激光指示器看到的条纹进行比较，则该图案会更加有趣。理解两狭缝实验中发生的情况的一种方法是，描绘量子力学的波动性质，指示光子可以并排着陆的位置：彩弹射击可以击中明亮区域，而不能击中黑暗区域。我们在彩弹到达两色光束时看到了类似的图案，但是现在彩弹正朝着时间方向前进和后退，并且只能随着节拍而及时命中。节拍可以看作是时间上的条纹。