用幾個3D眼鏡看日食效果最好?量子韋恩圖悖論給出答案

2020-12-05 萬象經驗

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

在昨天的日環食觀測中,許多人都沒有專業的巴德膜眼鏡,於是他們把看電影時用的3D眼鏡的鏡片拿了下來,並以一定的角度重疊兩個鏡片,於是就有了一個簡單觀測日食的工具了。有些人說為了效果更好,它疊了3個鏡片,因為這樣就會使光減弱得多一些。但是,為什麼這是錯誤的呢?我們今天就來講講量子韋恩圖悖論。

首先光是一種波,它是一種交替變化的電磁場,而偏振意味著它在某個方向上振動。電影院的3D眼鏡鏡片是一種偏振片,它只能透過某個方向振動的光。正常情況下,3D眼鏡上的一個鏡片只能透過水平振動方向的光,另一個鏡片只能透過豎直方向。3D電影會在熒幕產生兩種類型的偏振光:水平和豎直,這兩種光分別會進入兩邊的鏡片,你兩邊眼睛看到的不同圖像會讓你形成立體視覺的效果。這就是3D眼鏡的原理。

觀看日環食的時候,太陽的亮度還是非常強烈的,因此需要減光的設備。當把兩個偏振片重疊起來的時候,如果剛開始兩個偏振方向的夾角為0的話,光線可以正常透過。當旋轉一個偏振片的角度時,使它們的夾角大於0度的話,光線會慢慢變暗,直到夾角為90度的時候光線完全透不過去。因此,如果我們旋轉到合適的角度,能減小太陽光的亮度,也就適合人眼的觀看。

但是,有很多人認為,既然兩個偏振片能減少陽光的亮度,如果我再增加一個偏振片,亮度豈不是能減少得更多,這樣就更有利於觀測日食了。遺憾的是,多增加一個偏振片反而會使亮度增加,這就是量子韋恩圖悖論。

我們知道光子是量子實體,量子的世界和我們宏觀的世界規則是不一樣的。在量子世界中是非常詭異的,我們知道的一個實驗就是楊氏雙縫實驗。當我們不觀察光子從哪個狹縫經過的時候,它會在後邊的屏幕上形成幹涉圖樣;而當我們試圖觀察它從哪個狹縫經過的時候,後邊屏幕上的幹涉圖樣就會消失。

而對於偏振片來講,光子要麼能通過要麼不能通過。當兩個疊在一起的偏振片的偏振角度成90度時,光子能通過第一個偏振片而不能通過第二個或者一開始就不能通過第一個,在宏觀上兩個偏振片形成的區域是全黑的。但是,當插入第三個偏振片的時候,原本不能通過前兩個偏振片的光子就變成能通過的了,這個區域就會變亮很多。這就是奇怪的量子現象。

因此,用兩個偏振片做成的觀察日食的設備比三個偏振片效果好,其中的道理就是量子韋恩圖悖論。

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