U novom teorijskom radu fizičari sa Sveučilišta u Oslu izračunali su što ostaje nakon naglog prekida svjetlosnog impulsa koji sadrži jedan foton. Umjesto kraćeg fotona nastaje složeno kvantno stanje u kojem mjerenje može pokazati nula, jedan ili velik broj fotona. To ipak ne znači da su znanstvenici pronašli način za proizvodnju beskonačne količine svjetlosti.
Zrcalo se uklanja dok foton još prolazi
Foton je elementarna čestica i nema dijelove koje je moguće fizički razdvojiti. Ipak, njegovo kvantno stanje nije ograničeno na jednu točku. Svjetlosni impuls koji nosi jedan foton opisuje se valnim paketom, a on može biti znatno dulji nego što sugerira uobičajena predodžba o čestici.
Isak Cecil Onsager Rukan, Jan Gulla i Johannes Skaar zato su postavili jednostavno pitanje: što bi se dogodilo kada bismo takvom impulsu naglo uklonili jedan dio?
U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters razmotrili su foton koji dolazi prema savršeno reflektirajućem zrcalu. Prednji dio njegova valnog paketa stiže do zrcala i odbija se. Zrcalo potom prestaje djelovati prije dolaska ostatka impulsa, pa se preostali dio nastavlja širiti prema naprijed.
U klasičnoj optici time bismo jednostavno prekinuli svjetlosni impuls. Mogli bismo očekivati i da jedan dio fotona bude reflektiran, a drugi propušten. Kvantni izračun pokazuje nešto znatno složenije.
Statično zrcalo ili razdjelnik snopa može postaviti foton u superpoziciju dvaju mogućih putova. U ovom slučaju tijekom prolaska fotona mijenja se sam optički sustav. Neodređen više nije samo put kojim će foton krenuti, nego i broj fotona koji će na kraju biti prisutan.
Prethodno smo pisali o eksperimentu u kojem je stanje fotona opisano s pomoću 37 dimenzija. Novi rad pokazuje drukčiju posljedicu kvantne superpozicije. Nakon uklanjanja zrcala sustav više se ne može opisati kao jedan foton koji je samo promijenio oblik ili smjer.
Kvantno stanje obuhvaća sve moguće brojeve fotona
Dobiveno stanje sadrži komponente koje odgovaraju različitim brojevima fotona. Mjerenjem bi se moglo registrirati nula fotona, jedan foton, nekoliko fotona ili neki mnogo veći broj. Matematički niz nema gornju granicu.
To je izvor tvrdnje da prekid jednog fotona može proizvesti “beskonačno mnogo fotona”. Takvo tumačenje ipak nije potpuno točno.
Beskonačan je raspon mogućih komponenti kvantnog stanja. To ne znači da bi detektor u jednom mjerenju zabilježio beskonačan broj čestica. Što je broj fotona veći, vjerojatnost takvog rezultata postaje manja.
Brzina kojom zrcalo prestaje djelovati pritom ima ključnu ulogu. Johannes Skaar pojasnio je za ScienceAlert da sporija promjena proizvodi mali prosječan broj fotona, dok ga brža promjena povećava. Prosjek bi postao beskonačan samo kada bi se zrcalo uklonilo trenutačno, a takva promjena u stvarnom svijetu nije moguća.
U svakom fizički izvedivom postupku očekivani broj proizvedenih fotona ostaje konačan.
Autori nisu izveli laboratorijski pokus, ali smatraju da prekid pojedinačnog fotona nije neostvariv. Valni paket uskopojasnog fotona može biti dug nekoliko metara, a u nekim slučajevima i nekoliko kilometara. Optički sustav zbog toga ne bi morao reagirati prije nego što svjetlost prijeđe neku nezamislivo malu udaljenost.
U jednom primjeru autori su promatrali foton optičke svjetlosti i zrcalo koje bi prestalo reflektirati tijekom samo deset femtosekundi. Riječ je o toliko kratkom vremenu da svjetlost u njemu prijeđe približno tri mikrometra, manje od dvadesetine debljine ljudske vlasi. Kada bi se isti postupak ponovio mnogo puta, mjerenja bi u prosjeku pokazala nastanak približno jednog dodatnog fotona po pokušaju. Sporija promjena zrcala proizvela bi ih manje
Dodatni fotoni ne nastaju bez energije
Pojava novih fotona ne krši zakon očuvanja energije. Uklanjanje ili isključivanje zrcala mijenja uvjete u kojima se elektromagnetsko polje širi. Energija potrebna za nastanak dodatnih fotona dolazi iz procesa kojim se mijenja zrcalo, odnosno iz vanjskog uređaja koji upravlja njegovom reflektivnošću.
Sličan princip poznat je iz dinamičkog Casimirova učinka. Brza promjena zrcala, materijala ili granica elektromagnetskog polja može kvantne fluktuacije vakuuma pretvoriti u stvarne fotone.
Vakuum u kvantnoj teoriji nije potpuno prazan prostor. Pisao sam o tome u članku o simulacijama u kojima snažna elektromagnetska polja stvaraju novu svjetlost u vakuumu. U novom radu djeluje drugi mehanizam, ali je temeljna poruka slična: promjena samog elektromagnetskog polja može proizvesti čestice koje prije promjene nisu postojale kao stvarni fotoni.
Što se zrcalo brže uklanja, promjena polja postaje naglija. Nastali fotoni tada nose više energije, a najveća gustoća energije pojavljuje se u vrlo uskom području koje označava prijelaz između reflektiranog i propuštenog dijela impulsa.
S jedne strane nalazi se foton, a s druge vakuum
Najneobičniji rezultat ne odnosi se samo na broj proizvedenih fotona.
Kada se promatra cjelokupno elektromagnetsko polje, dobiva se složeno stanje s komponentama koje sadrže različite brojeve fotona. No izvan uskog prijelaznog područja slika izgleda mnogo jednostavnije.
Lokalna mjerenja provedena s jedne strane tog područja daju iste rezultate kao mjerenja pojedinačnog fotona. S druge strane daju rezultate koji odgovaraju vakuumu, odnosno prostoru bez fotona. Promatrač ograničen na jedno od tih područja ne bi mogao prepoznati koliko je potpuno kvantno stanje zapravo složeno.
Tu nema proturječja. Lokalno mjerenje obuhvaća samo dio elektromagnetskog polja, dok su dodatni fotoni, energija i kvantne povezanosti koncentrirani oko područja nastalog tijekom promjene zrcala.
Upravo je to središnji rezultat istraživanja. Jednostavno stanje s jednim fotonom može se lokalnom i vremenski ograničenom promjenom pretvoriti u stanje s proizvoljno velikim brojem fotona. Istodobno, mjerenja izvan područja te promjene mogu i dalje pokazivati samo jedan foton ili potpuni vakuum.
Autori zato ovaj model ne predstavljaju kao budući izvor neograničene količine svjetlosti. Koriste ga za proučavanje lokalizacije i kauzalnosti u kvantnoj teoriji polja, posebno načina na koji promjena provedena na jednome mjestu oblikuje kvantno stanje bez trenutačnog utjecaja na udaljene dijelove prostora.
