Εξ ορισμού, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν μπορούν να διασπαστούν σε μικρότερα κομμάτια. Ωστόσο, σε μια νέα θεωρητική μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, ο Johannes Skaar και οι συνεργάτες του αποκάλυψαν τι θα συνέβαινε αν προσπαθούσε κανείς να το κάνει αυτό σε ένα μεμονωμένο φωτόνιο.
Η απάντηση είναι εξαιρετικά παράξενη, καθώς η απόπειρα να κοπεί ένα φωτόνιο στα δύο δε θα παρήγαγε δύο μικρότερα φωτόνια, αλλά αντίθετα θα δημιουργούσε έναν άπειρο αριθμό από αυτά από το πουθενά.
Αδύνατο να κοπεί στη μέση
Όπως κάθε κβαντικό σωματίδιο, ένα φωτόνιο υπάρχει ταυτόχρονα ως ένα εντοπισμένο σωματίδιο και ως ένα εκτεταμένο κύμα, απλωμένο στον χώρο. Για την έρευνά τους, η ομάδα του Skaar εξέτασε τι θα συνέβαινε αν ένα μεμονωμένο φωτόνιο περνούσε μέσα από ένα οπτικό κλείστρο – ουσιαστικά έναν πολύ γρήγορο καθρέφτη που μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί για να μπλοκάρει μέρος ενός παλμού φωτός.
Εάν το κλείστρο ήταν αρκετά γρήγορο, θα μπορούσε να αναχαιτίσει το φωτόνιο στη μέση του παλμού του, κόβοντας ένα μέρος από αυτό το εκτεταμένο κύμα.
Για να ανακαλύψουν τι θα συνέβαινε στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν κβαντικές εξισώσεις που περιγράφουν πώς συμπεριφέρεται το υποκείμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του φωτονίου σε κβαντικό επίπεδο. Συγκεκριμένα, η ανάλυσή τους παρακόλούθησε με ακρίβεια πώς η κβαντική κατάσταση του φωτονίου θα μεταμορφωνόταν από την παρέμβαση του κλείστρου.
Άπειρη υπέρθεση
Αντί να παραχθεί ένα φωτόνιο από τη μία πλευρά και ένα κενό από την άλλη, το κλείστρο δημιουργεί κάτι πολύ πιο παράξενο και περίπλοκο, μια υπέρθεση καταστάσεων που περιέχει άπειρα φωτόνια ταυτόχρονα.
Αυτό συμβαίνει επειδή, στην κβαντομηχανική, ο κενός χώρος δεν είναι πραγματικά άδειος. Στην πραγματικότητα, σφύζει από διακυμάνσεις στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Με την ταχεία εναλλαγή του κλείστρου, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτές οι διακυμάνσεις διαταράσσονται και, κάνοντας αυτό, δημιουργούν αυθόρμητα νέα φωτόνια.
Είναι κρίσιμο, ωστόσο, ότι αν κοιτούσε κανείς μόνο την περιοχή αμέσως εκατέρωθεν του σημείου όπου λειτούργησε το κλείστρο, η κατάσταση θα φαινόταν απατηλά φυσιολογική, δηλαδή μη διακρίσιμη από ένα μεμονωμένο φωτόνιο στη μία πλευρά και ένα απλό κενό στην άλλη.
Βαθύτερες κβαντικές έρευνες
Το αποτέλεσμα προσφέρει μια εντυπωσιακή απεικόνιση του πώς τα κβαντικά σωματίδια συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα καθημερινά αντικείμενα και εγείρει βαθύτερα ερωτήματα σχετικά με τον τρόπο μέτρησης των κβαντικών συστημάτων και τον τρόπο εντοπισμού των πληροφοριών στον χώρο.
Στη μελλοντική τους έρευνα, ο Skaar και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν τώρα να προχωρήσουν περαιτέρω, εξερευνώντας εάν η ίδια παράξενη φυσική θα ίσχυε όταν εμπλέκονται περισσότερα από ένα φωτόνια ή όταν η ανάλυση επεκτείνεται σε άλλα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια.
