Det rareste eksperimentet du aldri har hørt om

Okay, jeg må fortelle deg om noe som skjedde i et fysikklab nylig, og ærlig? Hjernen min har fremdeles ikke kommet seg.

Tre fysikere ved Universitetet i Oslo hadde det som høres ut som en veldig nørdete middagssamtale: Hva skjer egentlig hvis du prøver å dele en foton i to?

enkelt spørsmål, ikke sant? Fotoner er bare lyspartikler. Du burde kunne skjære en i biter og få... vel, to mindre biter av lys. Kanskje.

Men her er greia—fotoner er "elementærpartikler," noe som betyr at de ikke er laget av noe mindre. Du kan ikke bare hakke dem slik du kanskje kan hakke et større atom eller molekyl. De har ikke et innside å avdekke.

Likevel lurte forskerne på: hva om du prøvde å "avkorte" en foton? Altså bruke en lukker til å klippe bort deler av en optisk puls?

Her blir det rart

Når du kutter bort deler av en foton, skjer det noe fullstendig motsatt av hva du forventer.

I stedet for å ende opp med to skadde halvdeler av lys, lager du faktisk flere fotoner.

Jeg vet. Jeg måtte lese den setningen tre ganger også.

Teamets artikkel (publisert i Physical Review Letters, hvis du vil være fancy med det) beskriver det slik: ved å kutte bort deler av en foton, "skaper du effektivt en haug med nye fotoner." Selv om du lukker lukkeren sakte.

Metaforen som dukker opp i mitt sinn er den mytologiske hydraen—du kutter av ett hode, og to nye vokser tilbake. Unntatt i dette tilfellet er hydraen laget av lys og reglene gir ingen mening.

Hvorfor fotoner er rarere enn du trodde

Så hvorfor skjer dette?

Her er nøkkelen: fotoner er ikke symmetriske små pakker med lys. Én side av en foton har det forskerne kaller en "uendelig hale." Tenk deg en bølge som bare... toner ut for alltid i én retning. Det er din foton.

På grunn av denne asymmetrien, spiller det faktisk stor rolle hvor du gjør kuttet. En foton er ikke en pen, jevn klump som venter på å bli delt.

For å finne ut akkurat hva som foregikk, bygde Oslo-teamet det forskerne kaller en "lekemodell"—en bevisst forenklet versjon av den virkelige situasjonen slik at de kunne fokusere på det essensielle. De tenkte seg én enkelt foton som reiste i én dimensjon med én polarisering, på vei rett mot et speil-lignende lukker som skulle klippe den midt i flighten.

Og hva kom ut av dette rene lille eksperimentet?

Én bit var ren vakuum—ingenting. Ingen foton i det hele tatt. Den andre biten var en komplett, hel foton. De var fullstendig adskilte, rene tilstander, uten minne om å noensinne ha vært en del av noe større.

Ingen av bitene så "kuttet" ut. Begge så hele ut. Men på en eller annen måte hadde fotonen... omfordelt seg selv?

Hvorfor har ingen stilt dette spørsmålet før?

Forskerne selv påpeker at dette er et spørsmål som virker opplagt i etterpåklokskapens lys, men tydeligvis hadde ingen brydd seg om å spørre før. Og jeg tror jeg skjønner hvorfor.

Når du er en praktiserende fysiker, er du sannsynligvis fokusert på praktiske problemer—eksperimenter som kan føre til gjennombrudd i kvantedatabehandling, eller nye måter å overføre informasjon på, eller forstå universets fundamentale struktur. Å sitte og lure på "men hva om vi bare... deler en foton i to?" føles nesten for enkelt.

Og kanskje er det lærdommen her. Noen ganger er spørsmålene som virker for grunnleggende til å spørre, faktisk skjult fascinerende rartskap i fysikken.

Hva betyr dette egentlig?

Nå bør jeg være tydelig: dette var et teoretisk øvelse med idealiserte modeller. Virkelige oppstillinger ville vært rotete. Men den grunnleggende innsikten—at avkutting av en foton ikke reduserer antallet, men potensielt øker det—ser ut til å være ekte.

Forskerne antyder at disse typene avkortede fotontilstander kanskje er lettere å studere ved hjelp av klassisk fysikk enn kvantetilnærminger. Men for resten av oss som bare lar oss beundre rarheten, tror jeg poenget er enklere:

Universet er langt rarere enn vi gir det cred for.

Vi liker å tro at vi forstår lys. Vi har kjent til fotoner i over et århundre. Vi bruker dem til alt fra kommunikasjon til medisinsk behandling. Og likevel, tydeligvis, forstår vi fremdeles ikke fullt ut hva som skjer når du prøver å klippe en.

Fysikken er ikke ferdig med å overraske oss. Og ærlig talt? Jeg gleder meg til å se hvilke spørsmål vi ikke har tenkt på å stille ennå.

Har du noen gang lurt på noe så grunnleggende at du antok at noen andre måtte ha svart på det allerede? Kanskje de mest interessante oppdagelsene gjemmer seg i spørsmål vi har vært for flau til å stille.