Podobno fotonów nie da się pokroić. Tym uczonym chyba nikt o tym nie powiedział

W świecie fizyki kwantowej nic nie jest takie, jak intuicja podpowiada. Foton - ten podstawowy kwant światła, którego uczymy się traktować jak „najmniejszą porcję energii” - według podręczników jest niepodzielny. Nie da się go przeciąć na pół, nie da się go odłupać, nie da się go rozszczepić jak kostki lodu w blenderze. A jednak najnowsze badania sugerują, że jeśli spróbujemy fotonowi zrobić krzywdę w odpowiednio wyrafinowany sposób to ten odwdzięczy się czymś, co można określić jako… kwantowy fajerwerk.

Fizycy z Uniwersytetu w Oslo opisują eksperyment myślowy (i matematyczny), który zaczyna się od bardzo prostego pytania: co się stanie, jeśli w trakcie odbicia fotonu od idealnego lustra nagle to lustro zniknie?

Czytaj też:

Nie odsuniemy go fizycznie - to byłoby za wolne. Lustro musi zniknąć natychmiast, w czasie rzędu femtosekund. W praktyce oznacza to zmianę właściwości materiału, np. przełączenie cienkiej warstwy półprzewodnika z odbijającej na przezroczystą za pomocą ultrakrótkiego impulsu laserowego.

I tu zaczyna się zabawa.

Foton nie jest kulką, która odbija się od lustra jak piłeczka pingpongowa. Jest rozciągniętym w czasie i przestrzeni „pakietem falowym” - czymś, co ma początek, środek i koniec. Jeśli lustro zniknie w trakcie odbicia to foton jest jednocześnie w procesie odbijania i w procesie przechodzenia przez lustro. I nagle ten proces zostaje brutalnie przerwany.

To przerwanie jest tak gwałtowne, że – jak tłumaczą badacze – wymaga „dołożenia” ogromnej liczby nowych częstotliwości. A nowe częstotliwości to… nowe fotony. W efekcie zamiast jednego fotonu dostajemy cały ich wachlarz, rozrzucony po różnych częstotliwościach. Dosłownie: przecięcie fotonu generuje tęczę.

W teorii pola kwantowego pojedynczy foton ma nieskończenie długi „ogon” - jego amplituda nigdy nie spada do zera. To oznacza, że nie da się go odciąć w sposób idealny, bo zawsze jakaś część fali będzie „po drugiej stronie lustra”. Gdy lustro znika to ta część fali musi zostać przekształcona w coś fizycznego.

I tu pojawia się efekt Casimira  - zjawisko, w którym zmiana granicy pola elektromagnetycznego (np. ruch lustra) generuje fotony z próżni. To nie jest teoria, to już zostało zaobserwowane eksperymentalnie. Norwegowie pokazują, że „przecięcie fotonu” jest w istocie szczególnym przypadkiem tego efektu.

Jeśli lustro znika natychmiast to matematyka mówi, że powstaje nieskończona liczba fotonów. Oczywiście w rzeczywistości nic nie dzieje się natychmiast, więc badacze analizują scenariusz „łagodnego wyłączania lustra” w czasie od kilku do kilkudziesięciu femtosekund.

W takim przypadku liczba fotonów jest skończona, ale nadal ogromna. Dla fotonu o częstotliwości 10¹⁵ Hz (czyli światło widzialne) wystarczy wyłączenie lustra w czasie rzędu 10^-14 s, by wygenerować zauważalną liczbę nowych fotonów. To jest skala czasu, którą da się osiągnąć w laboratoriach z użyciem laserów femtosekundowych.

Aby zaobserwować „przecięcie fotonu”, trzeba spełnić kilka warunków:

To ostatnie jest największym problemem. Laser używany do „zniknięcia lustra” jest o wiele, wiele silniejszy niż fotony, które chcemy zmierzyć. To jak próba usłyszenia szeptu w trakcie koncertu metalowego. Mimo to fizycy są optymistyczni.

To badanie nie zmienia naszego świata elektroniki użytkowej - nie sprawi, że telewizory będą świecić inaczej, a wyświetlacze w telefonach będą bardziej kolorowe. Ale zmienia coś ważniejszego: nasze rozumienie tego, czym jest pojedynczy foton.

Pokazuje, że foton nie jest „kulą energii”, tylko złożonym obiektem kwantowym, że lokalne operacje na polu elektromagnetycznym mogą generować fotony z niczego, że „przecięcie fotonu” nie daje dwóch połówek, tylko cały wachlarz nowych fotonów i że granice pola (lustra, dielektryki, przełączane materiały) są aktywnymi elementami kwantowej rzeczywistości.

To jest fizyka, która w przyszłości może mieć znaczenie dla komunikacji kwantowej, fotoniki zintegrowanej, a nawet dla technologii obliczeń kwantowych opartych na światle.

Bo rzadko kiedy dostajemy news, w którym:

To jest ten moment, kiedy fizyka kwantowa przypomina nam, że świat jest znacznie bardziej dziwny, niż jakikolwiek produkt Apple’a, Samsunga czy Sony. I że nawet najbardziej podstawowe elementy rzeczywistości potrafią zachowywać się w sposób kompletnie nieintuicyjny.