Cercetătorii de la Universitatea din Oslo au pus o întrebare pe care nimeni nu a pus-o până acum: ce s-ar întâmpla dacă ai încerca să „tai” un foton în timp ce acesta era reflectat de o oglindă. Răspunsul a fost neașteptat: în loc de doi fotoni divergenți în direcții diferite, procesul poate genera mulți fotoni noi și, în unele cazuri, un număr infinit dintre ei. Cu toate acestea, după cum explică autorii lucrării publicate în Physical Review Letters, acest lucru nu înseamnă că legile conservării energiei pot fi încălcate – totul depinde de viteza cu care oglinda este îndepărtată și de natura cuantică a experimentului în sine.
Ciudățenia cuantică: de la unu la infinit
Fotonii sunt particule elementare de lumină care nu au masă și se pot mișca cu viteza luminii. Sunt atât valuri, cât și particule. În noul studiu, fizicienii au analizat o situație în care un foton este reflectat de un obturator optic – în esență o oglindă. Dacă îndepărtați această oglindă chiar în momentul în care fotonul este reflectat, apare o stare cuantică fundamental diferită. Conform calculelor oamenilor de știință, în loc de un singur foton, apare o stare complexă, inclusiv o suprapunere a diferitelor numere de fotoni – de la zero la infinit. Acest lucru nu înseamnă că fotonul este literalmente „tăiat” în bucăți: rămâne indivizibil. Cu toate acestea, o schimbare a condițiilor la limită în care se află duce la o redistribuire a probabilităților și la apariția multor noi stări cuantice.
Unul dintre autorii lucrării, fizicianul Johannes Skaar, a explicat că numărul așteptat de fotoni produși nu este infinit. Dacă scoateți oglinda încet, numărul de fotoni va fi mic. Dacă o faci repede, va fi mare. Infinitul poate fi atins doar dacă oglinda este îndepărtată infinit de repede, ceea ce este imposibil din punct de vedere fizic. Adică, un număr infinit de fotoni este realizabil în mod fundamental doar ca limită matematică, dar nu ca rezultat experimental real.
De asemenea, este important ca un astfel de experiment să nu necesite viteze supranaturale. Fotonii pot fi foarte lungi – câțiva metri sau chiar kilometri. Pentru un astfel de foton, oglinda nu ar trebui să se miște cu o viteză nerealistă pentru a avea timp să-l „blocheze” în timpul procesului de reflexie. Aceasta înseamnă că efectul discutat poate fi reprodus în condiții de laborator.
În plus, oamenii de știință au identificat un efect spațial neobișnuit. Dacă te uiți la sistemul din stânga oglinzii, atunci un foton este vizibil acolo. Dacă te uiți la dreapta – vid, adică zero fotoni. Dar între ele există o regiune îngustă de tranziție în care se observă o stare mixtă complexă, care poate fi descrisă la fel de mulți fotoni. Acest lucru creează o situație paradoxală: aceeași stare cuantică arată diferit în funcție de punctul de observație. Acest lucru amintește de faimosul experiment de gândire cu pisica lui Schrödinger, unde un obiect se află în două stări în același timp.
Lucrarea demonstrează că, chiar și în vid, au loc procese uimitoare. Îndepărtarea unei oglinzi atunci când un foton este reflectat nu este doar o curiozitate teoretică. Acesta arată cum condițiile în schimbare pot transforma energia vidului în particule reale. Această descoperire are implicații pentru optica cuantică și ar putea avea un impact asupra dezvoltării tehnologiilor cuantice, inclusiv a calculatoarelor cuantice și a sistemelor de comunicații.
Studiul confirmă că lumea fotonilor este plină de surprize, iar granița dintre gol și materie se dovedește a fi mult mai permeabilă decât credeam. Chiar și simplul act de a îndepărta o oglindă poate declanșa o avalanșă de evenimente cuantice, un proces pe care fizicienii spun că este „foarte complex”.
