【官方雙語】為何糖總是將光向右偏轉：糖的旋光性

這是我有史以來最喜愛的實驗之一 因為如果你深入思考的話， 這變得非常不合直覺。 而且你必須進一步深入挖掘 解決其核心的謎團。 你可能已經在 YouTube 上看過這個實驗了。 但我幾乎可以保證，你還沒看過 一個關於其運作原理的說明。 我當然找不到一個。 這是一個實驗，顯示了糖在溶液中的情況 可以扭曲光。 具體來說，它可以改變方向 偏振光。 你可能已經知道什麼是偏振光了。 但為了再確認一次， 光是一種電場的振盪。 以及貫穿宇宙的磁場。 所以，你知道，如果光正朝你過來傳播， 代表電場的振盪 以及與其垂直的 磁場中的振盪。 為簡化起見， 忽略磁場是一個不錯的主意 只專注於電場 僅僅因為這樣能使圖表更清晰。 但請記得，磁場 也在振盪 並且與電場垂直。 所以，你看到光正朝你飛來。 這是電場的振盪。 而且它上下移動著， 但它也可能只是左右晃動。 事實上，它可能正在振盪 任何方向都一樣。 但由於這是一個量子力學系統， 實際上，它可能是一種疊加態 在所有這些不同的方向之中。 這就是非偏振光的定義。 那是處於疊加態的光。 電場振盪的 朝著所有不同的方向。 如果你讓非偏振光通過 透過這樣的偏振濾鏡， 然後它會限制所有這些震盪 只朝一個方向下降。 因此，從我臉部傳到相機的光是偏振的。 我可以改變那束偏振光的方向 像這樣轉動濾鏡。 這台電腦顯示器內建有偏光濾鏡， 像大多數電腦螢幕一樣。 因此，從這台顯示器發出的所有光線 已經極化了。 如果我在前面再加一個偏振濾鏡 並改變角度， 你可以看到效果。 所以如果我把偏振濾鏡調整到90度 到來自螢幕的光線偏振化。 然後一切都會被阻擋。 但如果我把它們排成一列， 然後偏振濾鏡會讓所有光線通過。 然而最瘋狂的部分在於…… 如果我把這個裝滿糖水的圓柱體 在監視器與過濾器之間， 現在，有些光線穿過了 因為糖的關係 扭曲偏振光。 它正在改變它的方向。 因此，現在有一部分可以通過過濾器了。 你放的糖越多，情況就越這樣。 光轉得越多。 因此我選擇了一種糖的濃度 這會將光線轉動大約90度。 這僅是近似值 由於不同波長的反應各異， 這就是為什麼當我旋轉濾鏡時，顏色會改變。 對過去的史蒂夫來說，這一切簡直令人震驚。 我無法弄清楚這些分子的混雜組合 全部朝向不同的方向 可能產生這種效果 可能導致淨轉向 順時針方向，且始終順時針 永遠不要逆時針方向。 這說不通。 這就像如果溶液中有一個分子 輕微地將燈向順時針方向轉動， 那浙江會有另一個分子 以不同的方式導向 這將使其略微逆時針旋轉。 最終結果應為無扭曲 在偏振光的方向上。 就像宇宙中出現了一個錯誤。 順便一提，那並不是解決方案。 要得到答案， 我們需要重新審視疊加原理 不同極化狀態。 所以想像一下，你有一些光 而且它處於兩種狀態的疊加態。 一個是水平極化的， 另一個則是垂直偏振。 因此，你有一個電場在上下振盪 在一個州， 你有電場左右振盪 在另一個州。 疊加態看起來是什麼樣子？ 我們其實可以單純地這麼想 就像把那兩道波浪合併起來一樣。 所以，請看這個空間中的點，例如 位移的總和是多少 該點的電場是多少？ 嗯，它在垂直方向上稍微偏移了一點 還有一點水平方向。 那兩種狀態的疊加 就是這裡這一點，對吧？ 有點垂直 而且它有點水平方向的。 所以它就在这里。 如果你觀察疊加態 在這兩個州當中，目前來說， 好吧，電場根本沒有發生位移。 從零點，從此點的軸線開始。 因此，疊加狀態也為零。 然後在這個時刻， 你稍微偏右了一點 而且你有點情緒低落。 因此，該點的疊加態 呈對角線向右下方。 如果我們對軸上所有點都這樣做， 然後我們得到這個結果。 換句話說，這兩種狀態的疊加 只能被視為第三種狀態。 這與這兩個方向呈45度角。 我們再做一次同樣的練習。 但這次將垂直極化狀態進行偏移 向前通過四分之一波長。 讓我們看看接下來會發生什麼。 從這個觀點來看， 疊加必須剛好延伸到那邊的左側 因為垂直分量為零。 此時 疊加必須剛好垂直向下 因為水平分量為零。 在這個時刻， 疊加必須在右邊 因為垂直分量為零。 此時 ))); 因為水平分量為零。 那麼，讓我們把這些點連接起來。 而這就是結果，這個螺旋，這個螺旋結構。 因此，這是順時針方向的圓偏振光， 而且你可以逆時針方向進行 圓偏振光亦然。 因此，你可以將圓偏振光視為 兩個線性偏振態的疊加 互相垂直的 其中一個偏移了四分之一波長。 你知道嗎， 如果你在網上搜尋類似於 圓偏振光與疊加原理 你會發現像這樣的圖示。 有趣的是，有一張圖表 你將無法找到的 或者至少我找不到。 這對這個解釋來說非常重要。 而且這是一張與我們剛才所做內容相反的圖示， 因為事實上，疊加態 兩個圓偏振態中 一個順時針，一個逆時針， 給你線性偏振光。 所以，聽著， 這可能是第一次出現此圖表 在互聯網上出現過。 當然，我已經找到的 幾乎可以肯定是以影片形式。 看，這裡有兩個州。 一個以逆時針方向極化。 一個以順時針方向極化。 讓我們來看看一些要點，並觀察它們如何累加起來。 話說到這個地步， 兩道波浪在同一位置。 因此，疊加態在那個點必須存在。 這裡，每個波動中你僅有水平分量。 而且它們的方向相反。 因此它們相互抵消了。 這裡，兩道波浪再次相遇。 因此，疊加態必須位於該點。 在這裡，兩個水平分量相互抵消。 所以它一定就在这里。 那我們來畫出所有這些點吧 然後看看結果是什麼。 它是線性偏振光。 所以這真的非常重要。 你可以將線性偏振光視為 作為兩種極化狀態的疊加 一個向順時針方向圓偏振的 另一種圓形偏振 逆時針方向。 那麼當這種光線出現時，會發生什麼情況呢 經過糖溶液 就像我螢幕發出的光一樣？ 好吧，我希望你想象一下糖的溶解过程。 就像這袋義大利麵一樣。 這其實和這袋義大利麵完全不一樣。 但我希望你試著想像，僅僅只是一分鐘而已。 所以你有這些分子，全都混在一起， 全部以不同的方向排列。 讓我們來看看發生了什麼 當光線穿過時 那些分子中的單一個 而且它恰好是垂直方向的，像這樣。 因此，光是線性偏振的。 我們可以將其視為疊加態 兩個圓形偏振態 朝相反的方向前進。 希望你們能看見那兩個狀態 將會有非常不同的體驗 穿越這根義大利麵分子的旅程。 順時針圓偏振態 與義大利麵的步調一致。 它嵌在義大利麵的紋路裡。 由於逆時針狀態 與這些轉向背道而馳。 它不斷地撞上那些意大利麵片。 為了 illustrative 的目的， 我選擇了一個光的波長 與義大利麵螺旋形狀相吻合的間距。 事實上，大多數情況下情況不會是這樣的。 但希望你無論如何都能看出，不管波長為何 那兩個不同的方向 圓偏振光 會有不同體驗 經過義大利麵的過程。 這有什麼關係呢？ 嗯，你大概 already 知道了 光在玻璃中傳播得較慢。 因此，波峰與波谷的起伏 必須擠在一起以作補償。 換句話說，波長會變短。 事實上，當光線穿過任何物體時都是如此。 不只是玻璃。 當光線穿過分子時，這一點同樣成立。 就像我們這裡的螺旋形義大利麵分子一樣。 假設我們 hypothetically 順時針方向的圓形偏振分量 我們的光與義大利麵互動得更為強烈 因為它在那些襟翼間移動的時間更長。 既然如此，那麼 我們預期該組件會受到更大的減速。 將這一點與語言聯繫起來 我們用來談論光的術語， 你會說折射率 這款義大利麵價格更高 順時針圓偏振光 逆時針方向的圓偏振光。 光的兩個組成部分 看到不同的折射率 當他們與這款義大利麵互動時。 因此，若光的逆時針分量 正在以更快的速度穿過義大利麵 比光的順時針分量更…… 它將行進得更遠 當它從上方的義大利麵出口出來時。 換句話說，逆時針方向的分量 會向上移動 相對於逆時針分量。 這對這兩個狀態的疊加產生了什麼影響？ 希望你能從這個動畫中看出來 如果你移動其中一個組件 或偏振光的狀態向前， 它導致黃色的疊加態發生旋轉。 因此，如果我們有一種糖的溶液 所有分子都在哪裡 全部指向同一方向。 它們都垂直對齊，像這樣 整個溶液中 因此，我們會預期光線在上升時會發生扭曲。 並重申原因。 因為這束線性偏振光 是兩個圓偏振光態的疊加 而且他們有著不同的經歷 隨著他們一路前行。 一個比另一個慢。 當他們離開時， 他們之間的階段已經改變了 這會扭曲疊加態。 但糖水溶液並非如此。 它是一團分子雜亂無章地朝四面八方散佈。 這正是我們必須加以修正之處 我一開始的錯誤假設。 因為我的想法是， 看吧，如果你有義大利麵或一個分子 以這種方式在空間中定向 而這正是將光線扭曲成這樣的方式， 那麼你所需要做的就是找到另一個分子 那是朝向另一個方向的 而且這會讓它扭轉回來，恢復原來的狀態。 因此，所有這些混亂分子的最終結果是 根本不應有任何旋轉。 但那是一個錯誤，因為你看， 注意看，如果我把這盤義大利麵倒過來會發生什麼。 它確實平淡無奇，幾乎沒發生什麼事。 看看螺旋的方向。 因此，當你從底部往頂部移動義大利麵時， 邊緣從左移動到右。 如果我們把它倒過來呢， 也許我們期望它能逆轉 使其從右到左。 但你看，當我這樣把它倒過來的時候， 它保持不變。 義大利麵的邊緣仍然從左到右延伸 隨著你往上移動至義大利麵。 換句話說，這並不重要 如果你把義大利麵這樣擺放或那樣擺放， 光穿過它的體驗將是一樣的。 順時針和逆時針分量 會有不同的體驗。 那種經驗上的差異將會是一樣的 無論義大利麵的朝向如何。 這些體驗不會切換。 你已經知道關於螺旋的這些事了 從日常經驗中。 看，這裡有一顆帶有螺旋紋的螺栓 而這個螺帽的內部有一條螺旋紋。 我可以把螺母倒过来，對吧？ 而且它仍然有效。 解釋並不完整 因為糖分子的樣子並不是這樣。 它們長這樣。 那麼，根本的特性是什麼𝐻 這兩件事的共同之處 在此情境中，什麼才是重要的？ 嗯，這是用手習慣的問題。 它們都有方向性。 換句話說，它們沒有鏡像對稱性。 如果你在鏡子裡看這份義大利麵， 義大利麵的鏡像 將以一種根本不同的方式呈現 就像我的手具有方向性一樣。 如果你看著我左手在鏡子中的影像， 你不會再看到另一隻左手了， 你會看到一隻右手，它們本質上是不同的。 就像如果你能用右手那样 從鏡子裡頭，宛如幽靈般 並試著讓它與左手對齊， 你做不到的。 沒有可能讓它們完全重疊。 不僅僅是因為我的手稍微有些不同 不僅僅是因為我已婚。 這些分子的情況也是一樣的。 如果你將這個葡萄糖分子進行鏡像反射， 這個分子將會根本不同。 你無法重新排列那個分子 並將它對齊在這個的上方。 為了真正強調這一點， 讓我們看看分子會發生什麼情況 就像這裡這些具有鏡像對稱性的圖形一樣。 好了，我們把分子這樣定向 Using that orientation for the molecule. 讓我們假設光線向上傳播 像這樣透過分子。 而且，這又是疊加態 在該方向上的圓形偏振 在那個方向。 也許你可以說服自己 他們會有不同的人生體驗 穿過此分子。 那樣的話，你又該如何挽回呢？ 你會怎麼反過來做呢？ 好吧，你所需要的只是這個分子的鏡像。 光路中的另一個地方。 那我們就把鏡像影像放這裡，像這樣。 而且它們確實是彼此的鏡像。 就像這樣。 所以你會看起來像那裡鏡子中的影像。 於是它穿過了一個 然後它穿過另一個 以及任何形式的優待 左撇子與右撇子之間 與這鏡像相反的情況下被解除。 但當然，因為這些分子具有鏡像對稱性， 它們不過是同一個分子，對吧？ 因此你會找到鏡像影像 這種方向的浮動 在解法的其他部分。 那這個糖分子呢？ 想像光線穿過這分子。 希望你們能說服自己 順時針方向的圓偏振光 會有不同的體驗 逆時針方向的圓偏振光 當它穿過這個分子時。 要取消該效果， 你需要讓光線穿過同一個分子 但這裡是它自身的鏡像。 而且你無法創造出鏡像影像 無論朝哪個方向翻轉它 因為分子具有手性。 它沒有鏡像對稱性。 你無法創造出自身的鏡像。 只是重新調整一下方向而已。 那就這樣吧。 這是因為糖分子具有手性 因為線性偏振光 可被視為疊加態 兩種圓偏振光狀態 相反的方向。 順便一提，你可能聽說過糖 被稱為葡萄糖。 右側的意思是向右 因為葡萄糖或右旋糖會使光線向右偏轉。 順時針和逆時針。 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做了，別忘了按讚訂閱 下次見。