Nejpodivnější experiment, o kterém jste nikdy neslyšeli
Musím vám říct o něčem, co se nedávno stalo ve fyzikální laboratoři, a upřímně? Můj mozek se z toho dodnes nevzpamatoval.
Tři fyzici z Univerzity v Oslu vedli diskusi, která zní jako ideální večeře pro nerdí nadšence: Co se vlastně stane, když se pokusíte rozpůlit foton?
Jednoduchá otázka, ne? Fotony jsou přece jen částice světla. Mělo by jít je nakrájet a dostat... no, dvě menší světelná sousta. Možná.
Ale tady je ten háček — fotony jsou "elementární částice", což znamená, že nejsou složeny z ničeho menšího. Nemůžete je jednoduše rozsekat jako třeba větší atom nebo molekulu. Nemají žádný vnitřek, který byste odkryli.
Přesto se výzkumníci zamysleli: a co kdybychom se pokusili foton "ořezat"? Jako když závěrkou odstřihnete část optického pulzu?
Tady to začíná být divné
Když odříznete část fotonu, stane se něco naprosto neintuitivního.
Místo dvou poškozených polovin světla ve skutečnosti vytvoříte více fotonů.
Vím. Já jsem tu větu taky musel číst třikrát.
Článek týmu (publikovaný v časopise Physical Review Letters, kdybyste to chtěli znát formálně) to popisuje takto: odříznutím části fotonu "efektivně vytvoříte celou hromadu nových fotonů." A to i když závěrku zavíráte pomalu.
Metafora, která mě napadá, je mytologická hydra — uříznete jednu hlavu a dvě dorostou. Akorát v tomto případě je hydra složená ze světla a pravidla nedávají smysl.
Proč jsou fotony podivnější, než jste si mysleli
Tak proč se to děje?
Tady je ten klíčový postřeh: fotony nejsou symetrické malé balíčky světla. Jedna strana fotonu má to, čemu výzkumníci říkají "nekonečný chvost." Představte si vlnu, která prostě... donekonečna odvětvuje jedním směrem. To je váš foton.
Právě kvůli této asymetrii záleží na tom, kde přesně řez provedete. Foton není žádný úhledný uniformní obláček čekající na rozdělení.
Aby zjistili, co se přesně děje, postavil oselský tým to, čemu vědci říkají "hříčkový model" — záměrně zjednodušenou verzi skutečné situace, aby se mohli soustředit na podstatu. Představili si jediný foton cestující v jednom rozměru s jednou polarizací, letící přímo k zrcadlovému uzávěru, který by ho ve vzduchu ostřihl.
A co z toho čistého malého experimentu vzešlo?
Jedna část byla čisté vakuum — nic. Žádný foton. Ta druhá byla kompletní, celý jediný foton. Byly to úplně oddělené, čisté stavy, bez paměti na to, že byly součástí něčeho většího.
Ani jedna část nevypadala "osekaně." Obě vypadaly celistvě. A přesto se foton nějak... přerozdělil?
Proč se na to nikdo předtím nezeptal?
Sami výzkumníci poznamenávají, že tahle otázka se zdá být zřejmá s odstupem času, a přesto se předtím nikdo nenamáhal ji položit. A myslím, že chápu proč.
Když jste pracující fyzik, pravděpodobně se soustředíte na praktické problémy — experimenty, které by mohly vést k průlomům v kvantovém počítání, novým způsobům přenosu informací nebo pochopení základní struktury vesmíru. Sedět a přemýšlet "ale co kdybychom prostě... rozpůlili foton?" působí téměř příliš jednoduše.
A možná že právě tady je to ponaučení. Někdy ty otázky, které se zdají být příliš základní na to, abychom je položili, ve skutečnosti skrývají tu nejfascinující podivnost ve fyzice.
Co to vlastně znamená?
Měl bych být jasný: toto byla teoretická cvičení s využitím idealizovaných modelů. Skutečná uspořádání v reálném světě by byla chaotičtější. Ale ten fundamentální vhled — že oříznutí fotonu nesnižuje jeho počet, ale potenciálně ho zvyšuje — se zdá být skutečný.
Výzkumníci naznačují, že tyto oříznuté fotonové stavy by mohly být snáze studovatelné pomocí klasické fyziky než kvantových přístupů. Ale pro nás ostatní, kteří se jenom divíme té podivnosti, si myslím, že závěr je jednodušší:
Vesmír je mnohem podivnější, než mu přičítáme.
Líbí se nám myslet si, že světlo rozumíme. Fotony známe víc než století. Používáme je na všechno možné — od komunikace po lékařské procedury. A přesto zjevně pořád plně nerozumíme tomu, co se stane, když se pokusíte jeden ostřihnout.
Fyzika s námi ještě neskončila s překvapováním. A upřímně? Nemůžu se dočkat, jaké otázky nás ještě nenapadlo položit.
Mysleli jste někdy nad něčím tak základním, že jste předpokládali, že to už musel někdo zodpovědět? Možná ty nejzajímavější objevy se skrývají v otázkách, které jsme měli příliš trapné položit.