Podobno fotonów nie da się pokroić. Tym uczonym chyba nikt o tym nie powiedział

konto.spidersweb.pl 2 godzin temu

Fotonu miało nie dać się przeciąć… a jednak można. I robi się przy tym niezłą zadymę.

W świecie fizyki kwantowej nic nie jest takie, jak intuicja podpowiada. Foton – ten podstawowy kwant światła, którego uczymy się traktować jak „najmniejszą porcję energii” – według podręczników jest niepodzielny. Nie da się go przeciąć na pół, nie da się go odłupać, nie da się go rozszczepić jak kostki lodu w blenderze. A jednak najnowsze badania sugerują, iż jeżeli spróbujemy fotonowi zrobić krzywdę w odpowiednio wyrafinowany sposób to ten odwdzięczy się czymś, co można określić jako… kwantowy fajerwerk.

Norwegowie postanowili zrobić fotonowi „ciach”

Fizycy z Uniwersytetu w Oslo opisują eksperyment myślowy (i matematyczny), który zaczyna się od bardzo prostego pytania: co się stanie, jeżeli w trakcie odbicia fotonu od idealnego lustra nagle to lustro zniknie?

Nie odsuniemy go fizycznie – to byłoby za wolne. Lustro musi zniknąć natychmiast, w czasie rzędu femtosekund. W praktyce oznacza to zmianę adekwatności materiału, np. przełączenie cienkiej warstwy półprzewodnika z odbijającej na przezroczystą dzięki ultrakrótkiego impulsu laserowego.

I tu zaczyna się zabawa.

Foton nie jest punktem. Jest obiektem rozciągniętym w czasie

Foton nie jest kulką, która odbija się od lustra jak piłeczka pingpongowa. Jest rozciągniętym w czasie i przestrzeni „pakietem falowym” – czymś, co ma początek, środek i koniec. jeżeli lustro zniknie w trakcie odbicia to foton jest jednocześnie w procesie odbijania i w procesie przechodzenia przez lustro. I nagle ten proces zostaje brutalnie przerwany.

To przerwanie jest tak gwałtowne, iż – jak tłumaczą badacze – wymaga „dołożenia” ogromnej liczby nowych częstotliwości. A nowe częstotliwości to… nowe fotony. W efekcie zamiast jednego fotonu dostajemy cały ich wachlarz, rozrzucony po różnych częstotliwościach. Dosłownie: przecięcie fotonu generuje tęczę.

Dlaczego to w ogóle możliwe? Bo foton ma ogon

W teorii pola kwantowego pojedynczy foton ma nieskończenie długi „ogon” – jego amplituda nigdy nie spada do zera. To oznacza, iż nie da się go odciąć w sposób idealny, bo zawsze jakaś część fali będzie „po drugiej stronie lustra”. Gdy lustro znika to ta część fali musi zostać przekształcona w coś fizycznego.

I tu pojawia się efekt Casimira – zjawisko, w którym zmiana granicy pola elektromagnetycznego (np. ruch lustra) generuje fotony z próżni. To nie jest teoria, to już zostało zaobserwowane eksperymentalnie. Norwegowie pokazują, iż „przecięcie fotonu” jest w istocie szczególnym przypadkiem tego efektu.

Efekt uboczny: nieskończona liczba fotonów

Jeśli lustro znika natychmiast to matematyka mówi, iż powstaje nieskończona liczba fotonów. Oczywiście w rzeczywistości nic nie dzieje się natychmiast, więc badacze analizują scenariusz „łagodnego wyłączania lustra” w czasie od kilku do kilkudziesięciu femtosekund.

W takim przypadku liczba fotonów jest skończona, ale przez cały czas ogromna. Dla fotonu o częstotliwości 10¹⁵ Hz (czyli światło widzialne) wystarczy wyłączenie lustra w czasie rzędu 10^-14 s, by wygenerować zauważalną liczbę nowych fotonów. To jest skala czasu, którą da się osiągnąć w laboratoriach z użyciem laserów femtosekundowych.

Czy da się to zobaczyć? Teoretycznie tak. Praktycznie – będzie ciężko

Aby zaobserwować „przecięcie fotonu”, trzeba spełnić kilka warunków:

mieć pojedynczy foton o bardzo wąskim widmie (czyli bardzo długi w czasie),
mieć przełączane lustro, które zmienia stan w czasie rzędu 10 fs,
mieć detektory zdolne do wykrycia wielu fotonów w różnych częstotliwościach,
odfiltrować gigantyczny impuls laserowy, który służy do wyłączenia lustra.

To ostatnie jest największym problemem. Laser używany do „zniknięcia lustra” jest o wiele, wiele silniejszy niż fotony, które chcemy zmierzyć. To jak próba usłyszenia szeptu w trakcie koncertu metalowego. Mimo to fizycy są optymistyczni.

Dlaczego to jest ważne? Bo pokazuje, iż foton nie jest tym, czym myślimy

To badanie nie zmienia naszego świata elektroniki użytkowej – nie sprawi, iż telewizory będą świecić inaczej, a wyświetlacze w telefonach będą bardziej kolorowe. Ale zmienia coś ważniejszego: nasze rozumienie tego, czym jest pojedynczy foton.

Pokazuje, iż foton nie jest „kulą energii”, tylko złożonym obiektem kwantowym, iż lokalne operacje na polu elektromagnetycznym mogą generować fotony z niczego, iż „przecięcie fotonu” nie daje dwóch połówek, tylko cały wachlarz nowych fotonów i iż granice pola (lustra, dielektryki, przełączane materiały) są aktywnymi elementami kwantowej rzeczywistości.

To jest fizyka, która w przyszłości może mieć znaczenie dla komunikacji kwantowej, fotoniki zintegrowanej, a choćby dla technologii obliczeń kwantowych opartych na światle.

A dla nas – entuzjastów technologii – to po prostu piękna historia

Bo rzadko kiedy dostajemy news, w którym:

foton zostaje „przecięty”,
lustro znika w 10 femtosekund,
z próżni wyskakuje tęcza nowych fotonów,
a wszystko to jest zgodne z równaniami Maxwella, mechaniką kwantową i teorią pola.

To jest ten moment, kiedy fizyka kwantowa przypomina nam, iż świat jest znacznie bardziej dziwny, niż jakikolwiek produkt Apple’a, Samsunga czy Sony. I iż choćby najbardziej podstawowe elementy rzeczywistości potrafią zachowywać się w sposób kompletnie nieintuicyjny.

Idź do oryginalnego materiału