Fizicienii au încercat să „taie” un foton, iar rezultatul schimbă felul în care înțelegem particulele de lumină

Un foton nu este o bilă minusculă pe care o poți despica în două, dar fizicienii s-au întrebat ce s-ar întâmpla dacă ai încerca, totuși, să îi tai forma de undă. Răspunsul, obținut prin calcule teoretice, este mult mai ciudat decât ar sugera intuiția: în loc să rămână „jumătate de foton” sau pur și simplu un singur foton mai scurt, sistemul ajunge într-o stare cu o combinație complexă de posibilități, de la zero fotoni până la un număr infinit de fotoni.

Studiul, realizat de Johannes Skaar, profesor de fizică teoretică la Universitatea din Oslo, împreună cu colegii săi, arată cât de înșelătoare poate fi imaginea clasică a particulelor. În fizica de zi cu zi, dacă tai un obiect, obții două bucăți. În mecanica cuantică, unde lumina se comportă atât ca particulă, cât și ca undă, lucrurile nu funcționează așa.

Ce înseamnă, de fapt, să „tai” un foton

Fotonul este particula elementară asociată luminii. Fiind elementar, nu este format din componente mai mici, așa că nu poate fi rupt în sensul obișnuit al cuvântului. Totuși, fotonul are și o descriere de undă, iar această undă poate fi imaginată ca un puls care se propagă prin spațiu.

Cercetătorii au analizat ce s-ar întâmpla dacă un astfel de puls ar trece printr-un obturator optic, iar obturatorul s-ar închide în timp ce fotonul trece prin el. Cu alte cuvinte, coada undei ar fi blocată brusc. Nu este o foarfecă aplicată unei particule, ci o întrerupere a formei de undă asociate fotonului.

Vezi și:

Ce avere are Ciprian Ciucu? Terenurile, apartamentele și economiile declarate de primarul Capitalei

Intuiția multor fizicieni ar spune că, după o asemenea intervenție, ar exista o anumită probabilitate să nu mai rămână niciun foton și o altă probabilitate să rămână un singur foton. Cercetătorii spun că această imagine este aproximativ corectă, dar incompletă. Calculele arată că starea rezultată este mult mai bogată și include contribuții cu mai multe numere posibile de fotoni.

Aici apare partea cu adevărat spectaculoasă: în descrierea completă, fotonul „tăiat” devine o combinație de stări care merg de la vid, adică zero fotoni, până la stări cu un număr potențial infinit de fotoni. Nu înseamnă că, în mod realist, vei obține brusc o infinitate de particule într-un laborator. Pentru viteze realiste ale obturatorului, apariția unui număr foarte mare de fotoni ar fi extrem de improbabilă.

De ce rezultatul pare imposibil

Mecanica cuantică funcționează pe probabilități, nu pe certitudini clasice. Înainte de măsurare, o particulă poate fi descrisă ca o suprapunere de stări posibile. Poziția, energia sau numărul de particule nu sunt întotdeauna valori fixe, ci posibilități cu probabilități diferite.

Vezi și:

Un laptop obișnuit a reușit ce părea rezervat computerelor cuantice. Descoperirea care schimbă miza tehnologică

Laserele care „respiră” i-au pus pe gânduri pe fizicieni. Cercetătorii spun că au rezolvat misterul

În cazul fotonului trunchiat, cercetătorii au descoperit că viteza cu care se închide obturatorul influențează distribuția acestor probabilități. Dacă obturatorul s-ar închide infinit de repede, numărul mediu așteptat de fotoni ar deveni infinit. În realitate, un obturator nu se poate închide cu adevărat instantaneu, iar pentru sisteme fizice plauzibile efectele extreme devin foarte rare.

Partea și mai ciudată este că aceeași stare complexă poate părea simplă dacă este privită local. De o parte a obturatorului, măsurarea poate arăta ca o stare cu un singur foton. De cealaltă parte, poate arăta ca vid, adică absență de fotoni. Global, însă, sistemul este această combinație complicată de la zero la infinit.

Această diferență între imaginea locală și starea globală ridică întrebări fundamentale despre ce numim, de fapt, „particulă”. Dacă o stare extrem de complexă poate arăta simplu atunci când este privită doar dintr-o regiune, descrierea particulelor ca obiecte independente devine mai fragilă decât pare în limbajul obișnuit.

De ce ar putea conta pentru fizica viitorului

Studiul nu este important pentru că ar propune o metodă practică de a produce roiuri de fotoni, ci pentru că atinge o problemă profundă din fizica particulelor: felul în care descriem interacțiunile cauzale. În teoriile actuale, particulele sunt adesea tratate ca având cozi matematice care se întind la infinit, ceea ce complică modul în care definim clar începutul și sfârșitul unei interacțiuni.

Fotonii cu o coadă tăiată ar putea oferi o descriere mai clară a cauzei și efectului. Dacă o particulă are o regiune bine delimitată în timp, devine mai ușor de spus când începe o interacțiune și ce o produce. Cercetătorii speră ca această direcție să ajute, în timp, la o formulare mai curată a interacțiunilor cuantice.

Echipa analizează acum dacă ideea poate fi extinsă și la alte particule cuantice, cum ar fi electronii. Dacă rezultatul se generalizează, ar putea schimba modul în care fizicienii descriu particulele nu ca obiecte mici și solide, ci ca stări ale câmpurilor cuantice, cu proprietăți care depind profund de felul în care sunt observate și delimitate.

Descoperirea nu spune că lumina poate fi ruptă ca sticla, ci că realitatea microscopică este mult mai stranie decât modelele intuitive. Un foton „tăiat” nu devine două bucăți, ci o stare cuantică neașteptat de bogată. Iar tocmai această ciudățenie ar putea duce la o înțelegere mai bună a particulelor și a interacțiunilor fundamentale.

Cea mai veche epidemie de ciumă cunoscută a fost descoperită în Siberia: boala lovea mai ales copiii acum 5.500 de ani