Oudoin kokeilu, josta et ole kuullut

Okei, minun täytyy kertoa sinulle jotain, mitä tapahtui fysiikan laboratoriossa hiljattain. Rehellisesti sanottuna? Aivoni eivät ole vieläkään toipuneet.

Kolme fyysikkoa Oslon yliopistosta kävi keskustelua, joka kuulostaa hyvin nörtimäiseltä illalliselta: Mitä oikeasti tapahtuu, jos yrität leikata fotonin puoliksi?

Yksinkertainen kysymys, eikö? Fotonit ovat vain valon hiukkasia. Pitäisi pystyä viipaloimaan yksi ja saada... no, kaksi pienempää valonkappaletta. Ehkä.

Mutta here's the thing — fotonit ovat "alkeishiukkasia", mikä tarkoittaa, etteivät ne koostu mistään pienemmästä. Niitä ei voi pilkkoa samalla tavalla kuin isompaa atomia tai molekyyliä. Niillä ei ole sisäpuolta, joka paljastuisi.

Silti tutkijat pohtivat: entä jos yrittäisimme "katkaista" fotonin? Kuin käyttäisimme sulkua leikataksemme osan optisesta pulsosta pois?

Tässä kohtaa homma menee oudoksi

Kun leikkaat osan fotonista pois, tapahtuu jotain täysin vastoin intuition.

Sen sijaan, että lopputuloksena olisi kaksi vaurioitunutta valon puoliskoa, sinä oikeastaan luot lisää fotoneja.

Tiedän. Minunkin piti lukea tuo lause kolme kertaa.

Tutkijaryhmän artikkeli (julkaistu Physical Review Letters -julkaisussa, jos haluat olla fiksu) kuvaa asian näin: leikkaamalla osan fotonista pois, "luot tehokkaasti joukon uusia fotoneja." Vaikka sulkisi sulun hitaasti.

Metafora, joka tulee mieleeni, on myyttinen hydra — leikkaat yhden pään irti, ja kaksi uutta kasvaa tilalle. Paitsi että tässä tapauksessa hydra on tehty valosta ja säännöt eivät yksinkertaisesti järkeä.

Miksi fotonit ovat oudompia kuin luulit

Joten miksi tämä tapahtuu?

Tässä avainhavainto: fotonit eivät ole symmetrisiä pieniä valopaketteja. Fotonin toisella puolella on se, mitä tutkijat kutsuvat "äärettömäksi hännäksi". Kuvittele aalto, joka vain... jatkuu ikuisesti yhteen suuntaan. Se on sinun fotonisi.

Tämän epäsymmetrian vuoksi se, mihin leikkauksen teet, todella merkitsee. Fotoni ei ole siisti, tasainen möykky odottamassa jakamista.

Selvittääkseen tarkalleen mitä oli tapahtumassa, Oslon tiimi rakensi sen, mitä tiedemiehet kutsuvat "lelumalliksi" — tarkoituksellisesti yksinkertaistetun version todellisesta tilanteesta, jotta he voisivat keskittyä oleelliseen. He kuvittelivat yksittäisen fotonin kulkevan yhdessä ulottuvuudessa yhdellä polarisaatiolla, suoraan kohti peilimaista sulkua, joka leikkaisi sen lennossa.

Ja mitä tästä siististä pikkekokeesta paljastui?

Yksi pala oli puhdasta tyhjiötä — ei mitään. Ei fotonia ollenkaan. Toinen pala oli täydellinen, kokonainen yksittäinen fotoni. Ne olivat täysin erillisiä, siistejä tiloja, ilman muistoa siitä, että ne olisivat koskaan olleet osa jotain suurempaa.

Kumpikaan pala ei näyttänyt "leikatuilta". Molemmat näyttivät kokonaisilta. Mutta jotenkin fotoni oli... jakaantunut uudelleen?

Miksi kukaan ei ole kysynyt tätä ennen?

Tutkijat itse huomauttavat, että tämä on kysymys, joka vaikuttaa ilmeiseltä jälkikäteen ajatellen, mutta ilmeisesti kukaan ei ollut vaivautunut kysymään sitä aiemmin. Ja luulen ymmärtäväni miksi.

Kun olet työskentelevä fyysikko, keskityt todennäköisesti käytännön ongelmiin — kokeisiin, jotka saattavat johtaa kvanttilaskennan läpimurtoihin, tai uusiin tapoihin välittää tietoa, tai ymmärtämään universumin perusrakennetta. Paitsi missä istut ihmettelemässä "mutta entä jos me vain... leikattaisiin fotonia puoliksi?" tuntuu melkein liian yksinkertaiselta.

Ja ehkä se on tässä opetus. Joskus kysymykset, jotka vaikuttavat liian perustavanlaatuisilta kysyttäviksi, piilottavat todellisuudessa kaikkein kiehtovimman oudouden fysiikassa.

Mitä tämä oikein tarkoittaa?

Nyt minun pitäisi olla selvä: tämä oli teoreettinen harjoitus idealisoidulla mallilla. Todelliset asetelmat olisivat sotkuisempia. Mutta perushavainto — että fotonin katkaiseminen ei vähennä sen määrää vaan mahdollisesti lisää sitä — vaikuttaa olevan todellinen.

Tutkijat ehdottavat, että tällaisten katkaistujen fotonitilojen tutkiminen saattaisi olla helpompaa klassisen fysiikan avulla kuin kvanttimenetelmillä. Mutta meistä muista, jotka vain ihmettelevät outoutta, uskon että johtopäätös on yksinkertaisempi:

Maailmankaikkeus on paljon oudompi kuin annamme sen vaikuttaa.

Meillä on tapana luulla, että ymmärrämme valon. Olemme tienneet fotoneista yli vuosisadan. Käytämme niitä kaikkeen viestinnästä lääketieteellisiin hoitoihin. Ja kuitenkin, ilmeisesti, emme vieläkään ymmärrä täysin, mitä tapahtuu kun yrität napsaista yhden poikki.

Fysiikka ei ole lopettanut yllättämästä meitä. Ja rehellisesti? En malta odottaa mitä kysymyksiä emme ole vielä keksineet kysyä.

Oletko koskaan ihmennellyt jotain niin perusasiaa, että olit olettanut jonkun muun jo vastanneen siihen? Ehkäpä mielenkiintoisimmat löydökset piileskelevät kysymyksissä, joita emme ole uskaltaneet kysyä.