Sztuczka z polaryzacją

Polaryzacja światła to jedna z najbardziej podstawowych cech fali elektromagnetycznej, od dekad wykorzystywana w fotografii, kinematografii czy optyce. Mimo to rodzi pytania, nad którymi warto się pochylić.

Mówić będziemy o właściwościach światła, a więc jednocześnie fotonów – jako nośników oddziaływania elektromagnetycznego i zarazem kwantów światła. Na szczęście, interesującą nas cechę fotonu daje się zobrazować stosunkowo prosto.

Wyobraźmy sobie cząstki jako szereg psów trzymających kije w pyskach. Badyl będzie od teraz wyznacznikiem polaryzacji, toteż zależnie od tego jak zwierzaki obrócą głowy, będzie ona przybierać dowolny kąt. Dla uproszczenia przyjmiemy trzy opcje: pionową, poziomą i ukośną (45°). Poza źródłem światła potrzeba nam jeszcze filtrów polaryzacyjnych. W praktyce miewają one różne formy, od specjalnych kryształów do polimerowych płytek i szkiełek – ale w naszej przenośni, rolę filtra zagra staroświecki płot. Jak łatwo zgadnąć będzie to filtr o polaryzacji pionowej, z uwagi na ustawienie desek. 

Teraz puśćmy naszą metaforę w ruch. Zademonstrujmy co się stanie, gdy spróbujemy przecedzić wiązkę światła spolaryzowanego poziomo przez filtr ustawiony pionowo:

Polaryzacja światła
Polaryzacja fotonu na psim przykładzie.

Foton, niczym zdezorientowany czworonóg, w żaden sposób nie prześlizgnie się przez przeszkodę. Mówiąc wprost, taki eksperyment przyniesie nam wynik 0% przepuszczonego światła. To tak oczywiste, że aż niegodne naszych rozważań. Zrobi się ciekawiej, gdy użyjemy fotonów spolaryzowanych ukośnie. Pies trzymający patyk pod kątem 45° nie przeciśnie się między sztachetami, tak samo jak w pierwszym przypadku. Tak podpowiada nam wyobraźnia i zdrowy rozsądek. Jednak tutaj nasze codzienne doświadczenia zaczynają zawodzić. Po wystrzeleniu wiązki ukośnych fotonów, na drugą stronę przedostanie się mniej więcej ich połowa.

Zwróćmy tu uwagę na istotny szczegół. Pojedynczy kwant światła, z definicji nie podlega już żadnym rozbiciom, stanowiąc najmniejszą możliwą porcję fali elektromagnetycznej. Nigdy więc nie dojdzie do sytuacji, w której pół fotonu pokona filtr, a pół się zatrzyma. Foton musi “wybrać” czy w całości pokona filtr, czy w całości ulegnie absorpcji. Gdybyśmy emitowali pojedyncze kwanty w kierunku ukośnego polaryzatora, otrzymalibyśmy całkowicie losowe wyniki. Przechodzi, przechodzi, nie przechodzi, przechodzi, przechodzi, nie przechodzi, nie przechodzi etc. Chociaż wszystkie fotony są identyczne, zachowują się wedle własnego kaprysu. Wynik obserwacji wynika stąd, że po wypuszczeniu wiązki miliardów fotonów, statystycznie 50% cząstek wybierze pierwszą, a 50% drugą opcję.

Po prostu tak chce probabilistyczna natura.

Polaryzacja światła przez polaryzator

Zostawmy to i wróćmy do filtrów. Wiemy już, że gdy światło jest spolaryzowane prostopadle do polaryzacji filtra, nie przejdzie w ogóle; kiedy ma polaryzację ukośną przejdzie w połowie; a logika podpowiada, że gdy kierunki polaryzacji są zgodne (pionowa-pionowa, pozioma-pozioma, ukośna-ukośna), filtr nie będzie stanowił dla fotonów żadnej przeszkody. A co się stanie gdy nałożymy na siebie dwa filtry? To tak jak gdybyśmy postawili naprzeciwko dwa płoty. Załóżmy, że “sztachety” pierwszego filtru ustawione są poziomo, a drugiego pionowo. W tym przypadku poziomo spolaryzowane światło rzecz jasna nie przejdzie, bo choć wszystkie fotony przefruną przez jedną przeszkodę, to zostaną zatamowane przez drugą.

Bądźmy ambitni i dołóżmy trzeci polaryzator. Pierwszy ustawiamy poziomo (zgodnie z fotonami), drugi ukośnie, trzeci pionowo. Teoretycznie przeszkoda wydaje się jeszcze trudniejsza do pokonania. Jednak ku naszemu zaskoczeniu, wiązka pokona trzy polaryzatory, choć nie radziła sobie z dwoma! Konkretnie, na wylot przejdzie około jednej czwartej części wyemitowanych fotonów. Dlaczego? Przez pierwszą (zgodną) płytkę przelatuje 100% cząstek, przez ukośną jak wiemy przedostanie się już 50%, ale dzieje się jeszcze coś. Fotony, którym udało się przedrzeć przez ukośny polaryzator, same przekręcają swoją polaryzację do 45°. Skoro tak, to ostatnia płytka już nie jest dla nich ustawiona prostopadle i znów przepuszcza 50% wiązki. Ostatecznie przez układ przechodzi 1/4 użytego światła, choć bez środkowego elementu nie zobaczylibyśmy nic.

Efekt użycia trzech polaryzatorów światła
Trzy filtry o różnych polaryzacjach w praktyce.

Rzecz jasna filtry polaryzacyjne można dowolnie obracać, zmniejszając bądź zwiększając odsetek przepuszczanych fotonów. Zabawa widowiskowa, choć jak widzicie samo zjawisko wynika z dość prostych założeń. Sądzę, że tym bardziej warto zdawać sobie z nich sprawy. Zwłaszcza, że szkiełka polaryzacyjne spotykamy wszędzie, choćby w niektórych typach okularów przeciwsłonecznych.

Tak na marginesie. Pierwotnie ten wpis miał być wstępem do innego artykułu, ale rozrósł się na tyle, że postanowiłem go wydzielić. Ale w przyrodzie nic nie ginie, a nabyta wiedza przyda się nam już wkrótce, gdy sprawdzimy jak dzięki fotonom i polaryzacji światła można zweryfikować zjawisko superpozycji kwantowej.

Czy splątanie kwantowe jest oddziaływaniem? 7 faktów o radzieckim programie kosmicznym Kiedy wszechświat krzyczy: “Wow!”