Un studiu teoretic realizat de fizicienii Johannes Skaar, de la Universitatea din Oslo, și colegii săi a evidențiat comportamentul surprinzător al fotonilor în condiții de întrerupere a formei lor de undă. Concluziile arată că, în loc de a împărți lumina în două părți, situația poate ajunge la o combinație extrem de complexă de stări cu număr variabil de fotoni, de la zero până la un număr infinit.
Ce înseamnă, de fapt, să „tai” un foton
Fotonul este o particulă elementară asociată luminii, fără componente mai mici. Totuși, acesta are și o descriere de undă, reprezentată de un puls în spațiu.
Cercetătorii au analizat ce se întâmplă dacă un astfel de puls trece printr-un obturator optic care se închide în timpul transmiterii. În acest caz, coada undei, care reprezintă forma de undă, este blocată brusc. Aceasta nu înseamnă tăiere efectivă, ci o întrerupere a formei de undă asociate fotonului.
Intuiția ar fi că, după această intervenție, ar putea apărea o probabilitate ca fotonul să nu mai existe sau să rămână unul singur. Cercetările indică însă că situația este mai complexă. Calculul arată că starea rezultate include multiple posibilități cu numere diferite de fotoni.
Rezultatul constată că, dacă fotografiatul „se face” în contextul lui quantum, fotonul devine o combinație de stări, variind de la zero fotoni până la un număr infinit. Această situație nu indică, însă, apariția reală a unei infinități de particule în laborator, ci reflectă un comportament teoretic asociat condițiilor ideale.
De ce rezultatul pare imposibil
În fizica cuantică, stările nu sunt certe, ci caracterizate prin probabilități. Înainte de măsurare, o particulă poate fi descrisă ca o suprapunere de multiple stări potențiale. Poziția, energia sau numărul de fotoni sunt, în această teorie, variabile cu probabilități diferite.
Cercetătorii au evidențiat faptul că viteza de închidere a obturatorului influențează distribuția acestor probabilități. În cazul în care obturatorul s-ar închide instantaneu, numărul mediu de fotoni ar tinde spre infinit. Totuși, în realitate, sisteme fizice plauzibile nu pot realiza această situație extremă, acțiuni care devin astfel foarte improbabile.
Un alt aspect interesant este faptul că starea globală a sistemului pare diferită, în funcție de nivelul de observare. În anumite puncte, poate părea că sistemul conține un singur foton, iar în altele, ca fiind vid, fără fotoni. În ansamblu, însă, comportamentul persistă ca o combinație complexă, variind de la zero la număr infinit de fotoni.
Această concluzie implică faptul că, în fizica cuantică, formă de undă și particulă sunt înțelese ca fenomene complementare, iar observația joacă un rol esențial în determinarea comportamentului sistemului. Studii de acest tip contribuie la înțelegerea mai profundă a naturii luminii și a comportamentului cuantic al particulelor elementare.