양자역학 직관 실험실 4단계
앞의 세 실험은 사실 공 하나 위에서 벌어집니다
4단계 1단계부터 3단계까지 계산이 서로 달라 보였습니다. 편광이라는 특수한 성질에서만 벌어지는 일일까요. 앞의 화면들을 이 공 위에서 다시 돌려 같은 숫자가 나오는지 봅니다.
편광 상태는 공 표면의 점 하나입니다. 파장판은 그 점을 굴리고 편광판은 자기 축 쪽으로 잡아당깁니다. 1단계 재현과 2단계 재현을 눌러 보세요. 앞의 두 화면이 여기서 그대로 다시 나옵니다.
공을 세로축 둘레로 돌립니다. 2단계에서 위쪽 길을 길게 만든 것이 여기서는 이 회전입니다.
발사하기 전에 정하세요.
1단계 재현은 수직 상태에 45도와 90도를 놓습니다. 2단계 재현은 45도 상태를 세로축 둘레로 돌리며 45도 편광판으로 잽니다.
실공간에서 편광판을 90도 돌리면 공 위에서는 정반대 점으로 갑니다. 45도만 돌려도 공에서는 직각입니다. 이 두 배가 푸앵카레 구의 전부입니다. 1단계에서 수직과 수평이 서로를 완전히 막았던 이유가 여기서는 그냥 정반대 점입니다.
통과 확률은 두 점 사이 각도 하나로 정해집니다. 측정 축과 상태가 이루는 각만 알면 확률이 나옵니다. 통과한 광자는 측정 축 위로 옮겨 앉고 1단계의 붕괴가 여기서는 점이 자리를 옮기는 장면이 됩니다.
1단계 재현은 수직 상태에 45도와 90도를 놓습니다. 두 번의 직각이라 0.25가 나옵니다. 2단계 재현은 45도 상태를 세로축 둘레로 φ만큼 돌린 뒤 45도 편광판으로 잽니다. 통과 확률이 cos²(φ/2)로 나옵니다.
2단계에는 빔스플리터 두 개와 거울 두 개가 있고 여기에는 편광판 한 장뿐입니다. 그런데 곡선이 똑같습니다. 장치가 달라도 공 위에서 하는 일이 같기 때문입니다. 2단계에서 위쪽 길을 길게 만든 것이 여기서는 세로축 둘레 회전입니다.
파장판은 공을 자기 축 둘레로 돌립니다. 반파장판은 180도, 사반파장판은 90도. 회전이라 길이도 각도도 그대로 보존합니다. 두 상태가 이루던 각은 어떤 파장판을 지나도 변하지 않습니다. 화면의 스토크스 벡터 길이가 1에서 벗어나지 않는 게 그 증거입니다.
아무것도 반증하지 않습니다. 따로 계산했던 것들이 같은 기하 위에 있었다는 걸 눌러서 확인하는 자리입니다.
블로흐 구가 아니라 푸앵카레 구로 부른다. 수학은 같고 각도 관습이 다르다. 근거 문서는 references/physics-notes.md 4단계 절이다.