Photonen sind seltsam.
Wir wissen das. Sie sind masselose Pakete elektromagnetischer Energie. Sie reisen mit Lichtgeschwindigkeit. Sie ignorieren die Regeln, die das Halten von Äpfeln auf Bäumen vorschreiben.
Aber es gibt einen spezifischen Quantentrick, der das Gehirn noch mehr kaputt macht als der Welle-Teilchen-Dualismus. Es handelt sich um Spiegel. Und Bananen. Oder zumindest die Idee, ein Photon wie eine überreife Frucht zu zerschneiden.
Physiker der Universität Oslo stellten eine Frage, die noch nie zuvor gestellt worden war. Wie schneidet man ein Photon ab?
Wenn man eine Banane halbiert, erhält man zwei Hälften. Wenn man ein Photon halbiert, erhält man keine zwei Photonen.
Du bekommst ein Durcheinander.
„Überraschenderweise werden wir feststellen, dass ein verkürztes Photon ein komplizierter Zustand ist, der Photonenzahlen bis ins Unendliche beinhaltet.“
Die Forscher simulierten das Entfernen eines optischen Verschlusses – im Wesentlichen eines Spiegels –, während ein Photon daran reflektiert wurde.
Sie wollten sehen, was passiert, wenn man die Reflexion mitten im Akt unterbricht.
Das Unendliche-Photonen-Missverständnis
Die Mathematik besagt, dass das Ergebnis eine Überlagerung ist.
In diesem Zustand existiert das Photon gleichzeitig in mehreren Zuständen. Wenn Sie es messen, finden Sie möglicherweise keine Photonen. Vielleicht finden Sie ein paar. Oder, im äußersten theoretischen Grenzfall, eine unendliche Menge.
Unendlich. Photonen.
Klingt unmöglich. Es ist. Aber nur aufgrund eines weit verbreiteten Missverständnisses.
Johannes Skaar, theoretischer Physiker an der Universität Oslo und Mitautor der Studie, klärte die Verwirrung auf. Er sprach mit ScienceAlert über die Grenzen des Experiments.
Die erwartete Anzahl an Photonen ist nicht unendlich.
Es kommt auf die Geschwindigkeit an.
Wenn man den Spiegel langsam entfernt, erhält man eine kleine Anzahl Photonen. Wenn man es schnell entfernt, erhält man eine große Menge. Um wirklich unendlich viele Photonen zu erhalten, müsste man den Spiegel in kürzester Zeit entfernen.
Das erfordert unendliche Geschwindigkeit.
Die Physik lässt das nicht zu.
Warum Vakuumenergie echte Teilchen erzeugt
Können Sie das also in der Praxis umsetzen?
Ja.
Ein weiterer Mythos besagt, dass das Abschneiden eines Photons zu schwierig durchzuführen sei. Skaar sagt, das sei falsch.
Photonen variieren in der Länge. Ein schmalbandiges Photon kann sich über mehrere Meter erstrecken. Oder Kilometer.
Für ein so langes Photon benötigen Sie keinen unrealistisch schnellen Verschluss. Sie müssen nur einen Teil seines Wellenpakets blockieren.
Der Mechanismus ist faszinierend. In der klassischen Physik ist ein Vakuum leer. In der Quantenmechanik ist dies nicht der Fall.
Der Vakuumzustand enthält potentielle Energie.
Wenn der Spiegel entfernt wird, wandelt der Prozess diese Vakuumenergie in echte Photonenenergie um. Durch die Kürzung wird nicht nur das Licht zerhackt. Es erschafft neues Licht aus der Leere.
Was Sie tatsächlich sehen
Hier ist der seltsamste Teil.
Der durch diese Kürzung erstellte Zustand entspricht lokal einfacheren Zuständen, je nachdem, wo man hinschaut.
Stellen Sie sich den Bereich zwischen dem Spiegel und dem Weg des Photons vor.
Links von dieser schmalen Übergangszone sieht ein Beobachter ein einzelnes Photon. Normal. Vorhersehbar.
Rechts sieht ein Beobachter Vakuum. Null Photonen. Leerer Raum.
Aber in dieser dünnen Übergangsregion?
Es ist ein brillanter Überfluss an Wahrscheinlichkeit. Ein Gemischzustand, der sich einer einfachen Zählung entzieht.
Skaar gab zu, dass es kompliziert sei.
Es erinnert uns daran, dass die Realität im kleinsten Maßstab nicht solide ist. Es ist flüssig. Es ist probabilistisch.
Wir denken, wir verstehen Licht.
Wir nicht.
Und wenn Sie versuchen, es in Scheiben zu schneiden, schenkt Ihnen das Universum vielleicht einfach die Unendlichkeit. Oder nichts.
Abhängig davon, wie schnell sich Ihr Spiegel bewegt.
