Fotonen zijn raar.
Wij weten dit. Het zijn massaloze pakketten elektromagnetische energie. Ze reizen met lichtsnelheid. Ze negeren de regels die appels aan de bomen houden.
Maar er is een specifieke kwantumtruc die de hersenen nog meer kapot maakt dan de dualiteit van golven en deeltjes. Het gaat om spiegels. En bananen. Of op zijn minst het idee om een foton in plakjes te snijden als een overrijpe vrucht.
Natuurkundigen van de Universiteit van Oslo stelden een vraag die nog nooit eerder was gesteld. Hoe kap je een foton af?
Als je een banaan doormidden snijdt, krijg je twee helften. Als je een foton doormidden snijdt, krijg je geen twee fotonen.
Je krijgt een puinhoop.
“Verrassend genoeg zullen we ontdekken dat een verkort foton een ingewikkelde toestand is waarbij het aantal fotonen tot in het oneindige kan oplopen.”
De onderzoekers simuleerden het verwijderen van een optische sluiter – in wezen een spiegel – terwijl er een foton op reflecteerde.
Ze wilden zien wat er gebeurt als je de reflectie midden in de act onderbreekt.
De oneindige misvatting over fotonen
De wiskunde zegt dat het resultaat een superpositie is.
In deze toestand bestaat het foton in meerdere toestanden tegelijk. Als je het meet, vind je misschien nul fotonen. Misschien vind je er een paar. Of, in de uiterste theoretische limiet, een oneindige hoeveelheid.
Oneindig. Fotonen.
Klinkt onmogelijk. Het is. Maar alleen vanwege een veel voorkomend misverstand.
Johannes Skaar, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Oslo en co-auteur van de studie, verduidelijkte de verwarring. Hij sprak met ScienceAlert over de grenzen van het experiment.
Het verwachte aantal fotonen is niet oneindig.
Het hangt af van de snelheid.
Als je de spiegel langzaam verwijdert, krijg je een klein aantal fotonen. Als je het snel verwijdert, krijg je een groot aantal. Om echt oneindige fotonen te krijgen, zou je de spiegel in nul tijd moeten verwijderen.
Dat vereist oneindige snelheid.
De natuurkunde staat dat niet toe.
Waarom vacuümenergie echte deeltjes creëert
Dus, kun je dit in de praktijk doen?
Ja.
Een andere mythe is dat het afkappen van een foton te moeilijk is om uit te voeren. Skaar zegt dat dit niet waar is.
Fotonen variëren in lengte. Een smalbandfoton kan meters lang uitrekken. Of kilometers.
Voor zo’n lang foton heb je geen onrealistisch snelle sluiter nodig. Je hoeft alleen maar een deel van het golfpakket te blokkeren.
Het mechanisme is fascinerend. In de klassieke natuurkunde is een vacuüm leeg. In de kwantummechanica is dat niet het geval.
De vacuümtoestand bevat potentiële energie.
Wanneer de spiegel wordt verwijderd, zet het proces die vacuümenergie om in echte fotonenenergie. De afknotting hakt niet alleen het licht weg. Het creëert nieuw licht vanuit de leegte.
Wat je werkelijk ziet
Hier is het vreemdste deel.
De toestand die door deze inkorting wordt gecreëerd, is lokaal equivalent aan eenvoudigere toestanden, afhankelijk van waar je kijkt.
Stel je het gebied voor tussen de spiegel en het pad van het foton.
Links van deze smalle overgangszone ziet een waarnemer een enkel foton. Normaal. Voorspelbaar.
Rechts ziet een waarnemer een vacuüm. Nul fotonen. Lege ruimte.
Maar in dat dunne overgangsgebied?
Het is een briljante uitstorting van waarschijnlijkheid. Een mengtoestand die eenvoudig tellen uitdaagt.
Skaar gaf toe dat het ingewikkeld is.
Het herinnert ons eraan dat de werkelijkheid op de kleinste schaal niet solide is. Het is vloeibaar. Het is probabilistisch.
We denken dat we licht begrijpen.
Wij niet.
En als je probeert het in stukken te snijden, kan het universum je misschien wel oneindigheid geven. Of niets.
Afhankelijk van hoe snel je spiegel beweegt.
