Τα σωματίδια του φωτός δεν μπορούν να διαιρεθούν σε μικρότερα σωματίδια, όμως αν προσπαθήσετε να κόψετε ένα κομμάτι από το άκρο τους, αντί να μικρύνουν, πολλαπλασιάζονται.
Του Karmela Padavic-Callaghan
Το κόψιμο των φωτονίων είναι ακραία παράξενη υπόθεση, Muhammad Fawaid/Alamy
Στη μυθολογία της αρχαίας Ελλάδας, όταν ο Ηρακλής έκοβε ένα κεφάλι από τη Λερναία Ύδρα, στη θέση του φύτρωναν δύο ακόμη. Με τα φωτόνια, τα πράγματα φαίνεται πως είναι ακόμη πιο περίεργα. Αν προσπαθήσετε να κόψετε ένα κομμάτι από ένα σωματίδιο φωτός, το αποτέλεσμα είναι να δημιουργηθούν άπειρα ακόμη.
Ορισμένα σωματίδια είναι στοιχειώδη, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορούν να διασπαστούν σε μικρότερα μέρη. Για παράδειγμα, ένα πρωτόνιο μπορεί να διασπαστεί σε τρία κουάρκ, όμως κάθε κουάρκ δεν μπορεί να υποδιαιρεθεί περαιτέρω. Τι θα συνέβαινε όμως αν προσπαθούσατε να «κόψετε» ένα στοιχειώδες σωματίδιο;
Ο Γιοχάνες Σκαρ από το Πανεπιστήμιο του Όσλο στη Νορβηγία και οι συνεργάτες του εξέτασαν την περίπτωση ενός φωτονίου που συναντά έναν καθρέφτη ικανό να το κάνει ακριβώς αυτό.
Επειδή είναι κβαντικό, το φως μπορεί να περιγραφεί τόσο ως σύνολο από φωτόνια όσο και ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Έτσι, ένα φωτόνιο δεν είναι απόλυτα εντοπισμένο, όπως ένα στερεό αντικείμενο, αλλά έχει μια «ουρά» που εκτείνεται στον χώρο. Στο υποθετικό σενάριο της μελέτης, ο καθρέφτης θα μπορούσε να κινηθεί αρκετά γρήγορα ώστε να ανακλά μόνο ένα μέρος του φωτονίου, σαν να κόβει την ουρά του.
Χρησιμοποιώντας κβαντικές εξισώσεις για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτό το «κόψιμο» θα δημιουργούσε μια κβαντική κατάσταση φωτός που αποτελείται από υπέρθεση άπειρων φωτονίων. Αυτό συμβαίνει επειδή, σε κβαντικό επίπεδο, το κενό δεν είναι πραγματικά κενό, αλλά γεμάτο κβαντικά πεδία, όπως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, τα οποία παρουσιάζουν μικρές διακυμάνσεις και μπορούν να διεγερθούν ώστε να παραγάγουν σωματίδια. Η κίνηση του καθρέφτη που «κόβει» το φωτόνιο ενεργοποιεί μια τέτοια διαδικασία.
«Κάθε φορά που μετακινείτε γρήγορα έναν καθρέφτη ή ένα κλείστρο, ταράζετε το κενό και δημιουργείτε φωτόνια από το τίποτα», λέει ο Samuel Braunstein από το Πανεπιστήμιο του York στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ωστόσο, οποιεσδήποτε τοπικές μετρήσεις -παρατηρήσεις από κοντά- θα έβρισκαν ότι η κατάσταση υπέρθεσης είναι αδιάκριτη από ένα μόνο φωτόνιο από τη μία πλευρά του καθρέφτη και ένα κενό κενό από την άλλη, κάτι που δείχνει πόσο διαφορετικά λειτουργεί η έννοια της παρατήρησης στο κβαντικό πεδίο σε σχέση με την καθημερινή εμπειρία. Αυτό δείχνει ότι στην κβαντική θεωρία «ένα φοβερά σύνθετο αντικείμενο μπορεί να παριστάνει κάτι εντελώς απλό», λέει.
Ο Ulf Leonhardt από το Weizmann Institute of Science στο Ισραήλ λέει ότι πειράματα έχουν δείξει πως ένα αρκετά γρήγορο κλείστρο που λειτουργεί στο κενό όντως δημιουργεί φωτόνια, αλλά ο πειραματικός έλεγχος της νέας ιδέας ίσως είναι πολύ πιο απαιτητικός τεχνικά. Ο χειρισμός του φωτός σε εξαιρετικά μικρές χρονικές κλίμακες γίνεται όλο και περισσότερο πραγματικότητα στα εργαστήρια, όμως το κλείστρο της νέας μελέτης παραμένει ταχύτερο από ό,τι είναι σήμερα διαθέσιμο, σημειώνει. Το νέο έργο δείχνει επίσης ότι τα φαινόμενα που προκύπτουν από το κβαντικό κενό χρειάζονται περαιτέρω διερεύνηση, κάτι που ίσως οδηγήσει σε βελτίωση ή τροποποίηση των κβαντικών θεωριών πεδίου για τον ηλεκτρομαγνητισμό, λέει ο Leonhardt.
Πέρα από το ενδιαφέρον τους για ζητήματα τοπικότητας στην κβαντική θεωρία, τα οποία συνδέονται και με ευρύτερες έννοιες, όπως το πώς λειτουργεί η αιτιότητα σε πειράματα με κβαντικά σωματίδια, ο Σκαρ και οι συνεργάτες του θέλουν πλέον να επεκτείνουν την ανάλυσή τους σε περισσότερα από ένα φωτόνια τη φορά ή σε άλλα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια.
Physical Review Letters DOI: 10.1103/94pm-hp34
