Foton, który nie umie być krótszy. Dziwne zachowanie światła zdumiewa fizyków

Czy można przeciąć wiązkę światła na pół? Na pozór pytanie brzmi absurdalnie – wiemy, że foton jest kwantem, niepodzielną porcją energii świetlnej. A jednak badacze postanowili sprawdzić, co się stanie, gdy spróbujemy „uciąć” kawałek pojedynczego fotonu. Wynik przerósł oczekiwania: zamiast zmniejszyć cząstkę, wymnożyli ją.

Foton jak… niepokrojona pizza

→ Czytaj też: Schrödinger nie znał DNA, a i tak zadał pytanie, które wciąż napędza fizyków

Klasyczna intuicja podpowiada, że jeśli foton jest cząstką elementarną, nie można go podzielić na mniejsze fragmenty. Rzeczywiście – fizycy od dawna wiedzą, że pojedynczy kwant światła nie daje się rozłupać jak atom. Jednak eksperyment opisany w „New Scientist” ujawnia coś znacznie dziwniejszego: jeśli spróbujemy odciąć „ogon” fotonu, czyli skrócić jego paczkę falową, nie powstaje krótszy foton, tylko dodatkowe fotony.

Wyobraźmy sobie, że foton to nie kula, lecz cienka, wydłużona struga. Próba ucięcia jej końca nie skraca strugi – zamiast tego z miejsca cięcia wyrasta nowa, identyczna struga. Foton „nie zgadza się” na skrócenie i broni swojej długości, powielając się. Jak gdyby natura zapisywała w kwancie światła informację o jego własnym rozmiarze.

Dlaczego długość fotonu jest ważna?

→ Czytaj też: Kot Schrödingera przemówił. Poemat w Scientific American o kwantach i świadomości

Długość fotonu – ściślej: długość jego paczki falowej – nie jest przypadkowa. Określa ona, jak foton oddziałuje z materią, jak interferuje i jak przenosi energię. W doświadczeniach z optyką kwantową i komunikacją kwantową precyzyjna kontrola nad długością fotonu jest kluczowa. Dotychczas sądzono, że można manipulować tą długością przez odpowiednie przygotowanie źródła światła. Tymczasem najnowsze wyniki wskazują, że granice są znacznie ostrzejsze.

Fizycy odkryli, że przy próbie mechanicznego skrócenia fotonu – na przykład przez przepuszczenie go przez specjalny układ optyczny, który miałby odciąć fragment – zachodzi proces kwantowego rozmnożenia. Zamiast jednego, krótszego fotonu, pojawiają się dwa (lub więcej) fotony o sumarycznej energii równej energii pierwotnej. To dowodzi, że długość fotonu może być cechą, której kwant nie potrafi zmienić w sposób ciągły – zmiana długości wymaga skokowej zmiany liczby cząstek.

Co to znaczy dla fizyki?

Wynik ten niesie głębokie implikacje dla naszego rozumienia natury światła. Kwantowa elektrodynamika – teoria opisująca oddziaływanie światła z materią – przewiduje, że fotony są bozonami i mogą się łączyć lub rozdzielać w procesach takich jak generacja harmonicznych. Jednak spontaniczne rozmnożenie fotonu przy próbie skrócenia nie było przewidziane. Może to wskazywać na istnienie nieznanej dotąd zasady zachowania – być może związanej z tzw. informacją o kształcie paczki falowej.

Niektórzy teoretycy sugerują, że zjawisko to przypomina efekt Casimira lub zachowanie się próżni kwantowej, gdzie granice fizyczne wymuszają powstawanie cząstek. Tu granicą jest „ostrze noża” – punkt, w którym kończymy wiązkę. Światło, by zachować swoją integralność, woli stworzyć nowy foton niż zmienić własną długość.

Co dalej? Kwantowa odporność światła

Odkrycie to może mieć praktyczne konsekwencje. Jeśli fotony są tak odporne na zmiany długości, to w komunikacji kwantowej informacja zapisana w ich paczce falowej będzie stabilniejsza, niż sądzono. Z drugiej strony – jeśli chcemy manipulować długością fotonu dla celów obliczeń kwantowych, natkniemy się na fundamentalne ograniczenie.

Badacze planują teraz eksperymenty, które sprawdzą, czy zjawisko zachodzi także dla fotonów o skrajnie różnych energiach (a więc i długościach paczki). Jeśli tak, może to oznaczać, że długość fotonu jest niezmiennikiem podobnym do ładunku elektrycznego – fundamentalną cechą, której kwant nie może się pozbyć ani zmienić. Na razie wiemy jedno: światło wciąż potrafi zaskakiwać, nawet gdy próbujemy je… przyciąć.