Fotón sa nedá rozrezať ako obyčajný predmet. Keď sa o to fyzici pokúsili v rovniciach, vznikol nekonečný roj častíc

Fotón pôsobí ako najjednoduchšia vec vo fyzike. Nemá pokojovú hmotnosť, nedá sa rozrezať na menšie časti a nesie svetlo. Nový teoretický výskum však ukázal, že aj takáto základná častica sa začne správať extrémne zvláštne, ak sa ju pokúsiš „prerušiť“ počas jej pohybu.

Štúdia publikovaná v Physical Review Letters, na ktorú upozornil portál Phys, opisuje situáciu, ktorá znie skôr ako experiment z hranice sci-fi než bežná fyzika. Nešlo však o laboratórny pokus, ale o teoretický model. Vedci skúmali, čo by sa stalo, ak by jeden fotón prešiel cez extrémne rýchlu optickú clonu, teda akési veľmi rýchle zrkadlo, ktoré sa vie zapnúť a vypnúť počas prechodu svetelného pulzu.

Ak by bola takáto clona dostatočne rýchla, mohla by zasiahnuť fotón uprostred jeho vlnového pulzu. Intuitívne by si možno čakal, že z jednej časti vznikne polovica fotónu a z druhej ďalšia polovica. Lenže kvantová fyzika takto nefunguje. Výpočty ukázali, že pokus „prestrihnúť“ fotón nevytvorí dve menšie častice, ale zvláštny kvantový stav, ktorý matematicky obsahuje nekonečne veľa fotónov naraz.

Fotón neexistuje ako „guľka“, ale ako vlna

Fyzika už dlho hovorí, že fotón nevyzerá ako malá guľka letiaca priestorom. Správa sa skôr ako kombinácia častice a vlny. Táto vlna sa môže rozprestierať v priestore a nesie informáciu o svetle. Výskumníci z tímu okolo Johannesa Skaara skúmali, čo sa stane, ak sa táto vlna naruší veľmi rýchlou optickou bránou.

Predstav si extrémne rýchlu zrkadlovú bariéru, ktorá sa zapne presne v momente, keď cez ňu prechádza svetelný pulz. Taký zásah by v klasickej predstave „odrezal“ časť vlny. Autori však práve tu narazili na problém. Zistili totiž, že žiadne dve polovice fotónu v skutočnosti nevzniknú.

Súvisí s tým

Vedci prelomili zásadnú prekážku kvantovej teleportácie. Vlastnosť svetla preniesli medzi dvoma odlišnými zariadeniami

Klasická intuícia by povedala, že jedna časť fotónu prejde a druhá sa odrazí alebo zmizne. Kvantová fyzika však funguje inak. Tím vedcov použil rovnice kvantového poľa a sledoval, ako zásah optickej clony zmení samotný kvantový stav elektromagnetického poľa. Výsledok prekvapil aj v rámci teoretickej fyziky. Namiesto jedného fotónu rozdeleného na dve časti vznikne superpozícia stavov, ktoré obsahujú nekonečne veľa fotónov.

Znamená to, že matematika nezačne opisovať dve jednoduché časti pôvodnej častice. Začne opisovať oveľa zložitejší stav, v ktorom existuje obrovské množstvo možností naraz. Pre bežnú predstavu je to zvláštne, no v kvantovej fyzike nejde o úplný výstrel do tmy. Podobné paradoxy vznikajú práve vtedy, keď sa snažíme s časticami zaobchádzať ako s obyčajnými predmetmi.

Kľúč k tomuto javu leží v samotnej podstate priestoru. Vo fyzike neexistuje úplne „prázdne“ miesto. Aj vákuum obsahuje kvantové fluktuácie, teda neustále drobné výkyvy elektromagnetického poľa. Keď sa optická clona zapne extrémne rýchlo, naruší tento jemný systém. Práve toto narušenie podľa výpočtov spontánne vytvára nové fotóny. Výsledný stav tak neobsahuje čisté rozdelenie jednej častice, ale zložitú kombináciu mnohých fotónov, ktoré vzniknú z narušenia poľa.

Z pohľadu merania môže všetko vyzerať klamlivo normálne

Najzaujímavejšie na celom jave je to, že z pohľadu merania sa situácia môže javiť oveľa obyčajnejšie, než aká v skutočnosti je. Ak by si sledoval len oblasť tesne pri jednej strane clony, stav by mohol vyzerať ako jeden fotón. Na druhej strane by sa mohol javiť ako obyčajné vákuum. Lenže celkový kvantový stav v pozadí by bol podľa výpočtov oveľa komplikovanejší.

Práve v tom je pointa celého výskumu. Fotón sa nedá rozdeliť ako jablko na dve polovice. Ak sa pokúsiš zasiahnuť jeho rozprestretú vlnu dostatočne rýchlo, nepracuješ už len s jednou časticou. Zasahuješ samotné elektromagnetické pole. A to dokáže reagovať spôsobom, ktorý nemá v našom každodennom svete dobrú obdobu.

Tento výsledok neznamená, že niekto dokáže prakticky „rozrezať svetlo“ v laboratóriu a vytvoriť nekonečno častíc. Ide o teoretický model, ktorý skúma hranice kvantovej mechaniky. Výskum však otvára otázky o tom, ako vlastne meriame častice, ako sa informácia lokalizuje v priestore a čo sa stane, keď do kvantového poľa zasiahneš extrémne rýchlo.

Vedci plánujú pokračovať v podobných výpočtoch aj pri zložitejších situáciách. Zaujíma ich napríklad to, či sa podobná fyzika objaví aj vtedy, keď nejde len o jeden fotón, ale o viac fotónov naraz. Rovnako chcú skúmať, či sa podobné zvláštne správanie môže týkať aj iných elementárnych častíc, napríklad elektrónov.

Výsledok tak skôr rozširuje hranice toho, čo považujeme za časticu, než aby ponúkal praktický spôsob manipulácie so svetlom. Kvantová fyzika tým opäť ukázala, že aj najjednoduchší objekt vo vesmíre vie vytvoriť veľmi komplikovaný príbeh.