Αν η Λερναία Ύδρα της ελληνικής μυθολογίας ήταν ο απόλυτος εφιάλτης για τον Ηρακλή, τότε το φωτόνιο φαίνεται πως είναι ο αντίστοιχος εφιάλτης για τους φυσικούς. Σύμφωνα με νέα θεωρητική έρευνα, όταν επιχειρεί κανείς να «κόψει» ένα φωτόνιο, δεν προκύπτουν δύο κομμάτια, ούτε καν δύο νέα φωτόνια. Αντίθετα, δημιουργείται μια κβαντική κατάσταση που περιλαμβάνει άπειρο αριθμό φωτονίων.
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε από τον φυσικό Johannes Skaar και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Όσλο. Οι ερευνητές διερεύνησαν τι θα συνέβαινε αν ένα φωτόνιο συναντούσε έναν εξαιρετικά γρήγορο «οπτικό διακόπτη» ή καθρέφτη, ικανό να ανακλά μόνο ένα τμήμα του κύματος φωτός και όχι ολόκληρο το φωτόνιο.
Παρότι τα φωτόνια θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια και δεν μπορούν να διασπαστούν σε μικρότερα συστατικά, η κβαντική μηχανική περιγράφει το φως όχι μόνο ως σωματίδιο αλλά και ως κύμα. Αυτό σημαίνει ότι ένα φωτόνιο δεν είναι ένα «σημείο» στον χώρο, αλλά διαθέτει μια κυματοσυνάρτηση που εκτείνεται σε μεγάλη περιοχή. Προηγούμενες εργασίες της ίδιας ερευνητικής ομάδας είχαν ήδη δείξει ότι τα φωτόνια διαθέτουν θεωρητικά άπειρες «ουρές» στον χώρο και στον χρόνο, κάτι που κάνει την πλήρη απομόνωσή τους αδύνατη.
Όταν λοιπόν ο υποθετικός καθρέφτης «κόβει» μέρος αυτής της ουράς, δεν προκύπτει μισό φωτόνιο. Οι εξισώσεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου δείχνουν ότι το αποτέλεσμα είναι μια εξαιρετικά πολύπλοκη υπέρθεση καταστάσεων που περιέχει συνεισφορές από έναν απεριόριστο αριθμό φωτονίων.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο είναι η εξήγηση πίσω από το φαινόμενο. Στην κβαντική φυσική το κενό δεν είναι πραγματικά άδειο. Ακόμη και στον απόλυτα κενό χώρο, τα κβαντικά πεδία πάλλονται αδιάκοπα δημιουργώντας στιγμιαίες διακυμάνσεις ενέργειας. Όταν ένας καθρέφτης ή ένα όριο μεταβάλλεται αρκετά γρήγορα, μπορεί να «ταράξει» αυτές τις διακυμάνσεις και να μετατρέψει εικονικά φωτόνια σε πραγματικά. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως δυναμικό φαινόμενο Casimir και έχει ήδη επιβεβαιωθεί πειραματικά σε υπεραγώγιμα κυκλώματα που προσομοιώνουν κινούμενους καθρέφτες.
Με άλλα λόγια, η προσπάθεια να κοπεί ένα φωτόνιο δεν επηρεάζει μόνο το ίδιο το φωτόνιο. Αναστατώνει ολόκληρο το κβαντικό κενό γύρω του, πυροδοτώντας τη δημιουργία νέων σωματιδίων φωτός.
Ακόμη πιο παράδοξο είναι ότι, σύμφωνα με τους υπολογισμούς, ένας παρατηρητής που θα έκανε τοπικές μετρήσεις δύσκολα θα μπορούσε να ξεχωρίσει αυτή την απίστευτα περίπλοκη κατάσταση από ένα απλό σενάριο όπου υπάρχει ένα μόνο φωτόνιο στη μία πλευρά του καθρέφτη και τίποτα στην άλλη. Η φύση φαίνεται να κρύβει τεράστια πολυπλοκότητα πίσω από φαινομενικά απλές παρατηρήσεις.
Προς το παρόν, το πείραμα παραμένει θεωρητικό, καθώς απαιτούνται τεχνολογίες ελέγχου του φωτός σε χρονικές κλίμακες ταχύτερες από όσες μπορούν να επιτευχθούν σήμερα. Ωστόσο, οι φυσικοί εκτιμούν ότι η πρόοδος στην υπερταχεία φωτονική ίσως επιτρέψει στο μέλλον την πειραματική δοκιμή της ιδέας. Αν αυτό συμβεί, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να προσφέρουν νέες γνώσεις για το κβαντικό κενό, τη φύση της αιτιότητας και ίσως ακόμη και για τα θεμέλια της ίδιας της κβαντικής θεωρίας πεδίου.
Πηγή: Newscientist / Quantumarticles / Arxiv / Nature
