ماهیت فوتونها، ذرات بنیادی نور، همواره دانشمندان را شگفتزده کرده است. این ذرات که کوچکترین واحد انرژی الکترومغناطیسی هستند، نه تنها بدون جرم بوده و با سرعت نور حرکت میکنند، بلکه پدیدهای شگفتانگیز به نام دوگانگی موج-ذره را از خود نشان میدهند؛ یعنی بسته به نحوه اندازهگیری، همچون موج و همچون ذره رفتار میکنند.
اما فیزیکدانان دانشگاه اسلو (UiO) اخیراً پرسشی جسورانه را مطرح کردهاند: اگر بخواهیم یک فوتون را مانند بریدن یک میوه، به دو نیم تقسیم کنیم، چه اتفاقی میافتد؟
آنها در کمال تعجب دریافتند که تلاش برای «بریدن» فوتون، منجر به ایجاد وضعیتی پیچیده میشود که در آن، تعداد فوتونها میتواند تا بینهایت افزایش یابد. به عبارت دیگر، با جدا کردن بخشی از فوتون، در واقع فوتونهای جدیدی خلق میشوند.
البته، از نظر تئوری، یک فوتون که ذرهای بنیادی است، قابل تقسیم به معنای واقعی کلمه نیست. بنابراین، محققان به جای آن، سناریوی حذف یک «دریچه نوری» (که در واقع مانند یک آینه عمل میکند) را در لحظه بازتاب فوتون، مورد محاسبه قرار دادند.
نتیجه این محاسبه شگفتانگیز بود: به جای ایجاد دو فوتون که در خلاف جهت یکدیگر حرکت کنند، حذف ناگهانی آینه میتواند منجر به تولید تعداد زیادی فوتون شود. این پدیده به «برهمنهی کوانتومی» معروف است، وضعیتی که در آن فوتونها به طور همزمان در چندین حالت وجود دارند.
از نظر تئوری، تعداد این فوتونها میتواند هر عددی باشد: صفر، چند عدد، یا حتی بینهایت.
اما آیا واقعاً میتوان تعداد بینهایتی فوتون تولید کرد؟ یوهانس اسکار، فیزیکدان نظری در دانشگاه اسلو و یکی از نویسندگان این پژوهش، توضیح میدهد که درک رایجی از این تحقیق وجود دارد که نادرست است. او میگوید: «انتظار نمیرود که با جدا کردن فوتون از طریق حذف آینه، تعداد فوتونها بینهایت شود.»
به گفته اسکار، اگر آینه به آرامی حذف شود، تعداد فوتونهای تولید شده کم خواهد بود و اگر با سرعت بیشتری حذف شود، این تعداد افزایش مییابد. اما این تعداد هرگز بینهایت نخواهد شد، زیرا این امر نیازمند حذف آینه با سرعتی بینهایت است که عملاً غیرممکن است.
در واقع، احتمال مشاهده تعداد زیادی فوتون با کندتر شدن فرآیند حذف آینه، کاهش مییابد.
اسکار همچنین به سوءتفاهم دیگری اشاره میکند: «اینکه جدا کردن فوتون در عمل دشوار است، درست نیست.»
محققان در مقاله خود میگویند که اگرچه خلاء از نظر فیزیک کلاسیک در فیزیک کلاسیک خالی به نظر میرسد، اما «حالت خلاء تبدیلشده حاوی فوتون است» و عمل حذف آینه، «انرژی خلاء را به انرژی واقعی فوتون تبدیل میکند.»
اگرچه «بریدن» فوتون به سادگی برش نان نیست، اما آنطور که اسکار میگوید، چندان هم دشوار نیست، زیرا فوتونها در طول موجهای مختلفی وجود دارند.
اسکار در ادامه میگوید: «فوتونهای با باند باریک میتوانند بسیار طولانی باشند، حتی چندین متر یا کیلومتر. برای چنین فوتونی، آینه لازم نیست با سرعتی غیرواقعی حرکت کند.»
در نهایت، این آزمایش اثری شگفتانگیز را آشکار میکند که به محل مشاهده بستگی دارد. اسکار توضیح میدهد: «این حالت پیچیده مخلوط، از نظر محلی معادل یک فوتون منفرد و خلاء (صفر فوتون) در سمت چپ و راست یک ناحیه گذار باریک است.»
بنابراین، در حالی که ممکن است در ناحیه کوچکی در اطراف آینه، فوران درخشانی از فوتونها مشاهده شود، نگاه به سمت چپ، تنها یک فوتون را نشان میدهد و نگاه به سمت راست، صفر فوتون یا فضای «خالی» را به نمایش میگذارد.
شاید اغراق نباشد اگر بگوییم نویسندگان مقاله اذعان دارند که «این حالت نسبتاً پیچیده است.»
این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
