Fotony to dziwne stworzenia.
Wiemy to. Są to bezmasowe pakiety energii elektromagnetycznej. Poruszają się z prędkością światła. Ignorują prawa, które trzymają jabłka na gałęziach drzew.
Istnieje jednak pewna sztuczka kwantowa, która wytrąca mózg z równowagi jeszcze bardziej niż dualizm falowo-cząsteczkowy. Jest połączony z lustrami. I banany. A przynajmniej z pomysłem przecięcia fotonu jak przejrzały owoc.
Fizycy z Uniwersytetu w Oslo zadali pytanie, które prawie nigdy wcześniej nie było zadawane. Jak można „odciąć” (odciąć) foton?
Jeśli przekroisz banana na pół, otrzymasz dwie połówki. Jeśli przetniesz foton na pół, nie otrzymasz dwóch fotonów.
Skończysz z bałaganem.
„Co zaskakujące, okazuje się, że skrócony foton jest stanem złożonym obejmującym wiele fotonów aż do nieskończoności”.
Naukowcy symulowali proces usuwania przesłony optycznej – zasadniczo lustra – podczas odbijania od niej fotonu.
Chcieli zobaczyć, co się stanie, jeśli odbicie zostanie przerwane w połowie.
Mit o nieskończonych fotonach
Matematyka twierdzi, że wynikiem jest superpozycja.
W tym stanie foton znajduje się jednocześnie w kilku stanach. Podczas pomiaru możesz znaleźć zero fotonów. Możesz odkryć kilka. Lub, przy skrajnym teoretycznym limicie, nieskończona liczba.
Nieskończony. Ilość. Fotony.
To brzmi absurdalnie. I tak jest. Dzieje się tak jednak wyłącznie na skutek powszechnego błędnego przekonania.
Johannes Skar, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Oslo i współautor badania, wyjaśnił to zamieszanie. W rozmowie z ScienceAlert wyjaśnił ograniczenia eksperymentu.
Oczekiwana średnia liczba fotonów nie jest nieskończona.
Wszystko zależy od prędkości.
Jeśli powoli usuniesz lustro, otrzymasz niewielką liczbę fotonów. Jeśli jest szybki, jest duży. Aby uzyskać naprawdę nieskończoną liczbę fotonów, należy usunąć lustro w czasie zerowym.
Wymagałoby to nieskończonej prędkości.
Fizyka na to nie pozwala.
Dlaczego energia próżni tworzy prawdziwe cząstki
Czy da się zatem to zrobić w praktyce?
Tak.
Kolejnym mitem jest to, że obcinanie fotonów jest zbyt trudne do wdrożenia. Scar twierdzi, że to nieprawda.
Długość fotonów jest różna. Foton wąskopasmowy może rozciągać się na metry. Albo kilometry.
Do fotonu o takiej długości nie jest potrzebna migawka o nierealistycznie dużej prędkości. Wystarczy zablokować część jego pakietu fal.
Mechanizm jest fascynujący. W fizyce klasycznej próżnia jest pusta. W mechanice kwantowej nie.
Stan próżni zawiera energię potencjalną.
Po usunięciu lustra proces ten przekształca energię próżni w energię rzeczywistych fotonów. Strzyżenie nie ogranicza się tylko do odcięcia światła. Tworzy nowe światło z pustki.
Co faktycznie zobaczysz
Oto najdziwniejsza część.
Stan powstały w wyniku takiego przycinania jest lokalnie równoważny prostszym stanom, w zależności od miejsca obserwacji.
Wyobraź sobie obszar pomiędzy zwierciadłem a ścieżką fotonu.
Obserwator na lewo od tej wąskiej strefy przejściowej widzi pojedynczy foton. Nic niezwykłego. Możliwy do przewidzenia.
Obserwator po prawej stronie widzi próżnię. Zero fotonów. Pusta przestrzeń.
Ale w tym subtelnym obszarze przejściowym?
Mamy do czynienia z niesamowitą eksplozją możliwości. Stan mieszany, którego nie da się opisać prostymi obliczeniami.
Scar przyznał, że to wszystko było skomplikowane.
Przypomina nam to, że w najmniejszej skali rzeczywistość nie jest solidna. Ona jest płynna. To probabilistyczne.
Myślimy, że rozumiemy światło.
Nie rozumiemy.
A jeśli spróbujesz to przeciąć, wszechświat może wręczyć ci nieskończoność. Albo nic.
Wszystko zależy od tego, jak szybko porusza się lustro.
