Μια νέα θεωρητική μελέτη φέρνει στο προσκήνιο ένα από τα πιο παράδοξα ερωτήματα της κβαντικής φυσικής: τι θα συνέβαινε αν προσπαθούσαμε να «κόψουμε» ένα φωτόνιο στα δύο;
Η απάντηση που προκύπτει από τους υπολογισμούς των επιστημόνων είναι πολύ πιο περίπλοκη και εντυπωσιακή απ’ όσο θα περίμενε κανείς, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση της φύσης των στοιχειωδών σωματιδίων.
Τα φωτόνια είναι τα βασικά «πακέτα» φωτός και θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια, δηλαδή δεν αποτελούνται από μικρότερα δομικά στοιχεία. Με αυτή την έννοια, η ιδέα να κοπεί ένα φωτόνιο μοιάζει εκ πρώτης όψεως αδύνατη. Ωστόσο, στην κβαντική μηχανική τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά, όπως τονίζει το σχετικό άρθρο του livescience.
Η μελέτη βασίζεται στη θεμελιώδη αρχή της κυματοσωματιδιακής δυαδικότητας, σύμφωνα με την οποία ένα φωτόνιο μπορεί να συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως σωματίδιο και ως κύμα.
Οι ερευνητές διερεύνησαν θεωρητικά τι θα συνέβαινε αν ένα φωτόνιο περνούσε μέσα από ένα άνοιγμα που έκλεινε ακριβώς τη στιγμή της διέλευσής του, «κόβοντας» ουσιαστικά το τελευταίο τμήμα του κύματος που το περιγράφει.
Οι περισσότεροι φυσικοί θα υπέθεταν ότι μετά από μια τέτοια διαδικασία θα υπήρχε μια πιθανότητα το φωτόνιο να εξαφανιστεί και μια πιθανότητα να παραμείνει ένα μοναδικό φωτόνιο.
Όπως όμως εξηγεί ο Γιοχάνες Σκάαρ, καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Όσλο και συν-συγγραφέας της μελέτης, η πραγματικότητα αποδείχθηκε πιο περίπλοκη.
Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι το «κομμένο» φωτόνιο δεν καταλήγει απλώς σε μία από αυτές τις δύο καταστάσεις. Αντίθετα, δημιουργείται ένα πολύπλοκο κβαντικό μίγμα που περιλαμβάνει καταστάσεις από μηδέν φωτόνια έως θεωρητικά άπειρα φωτόνια.
Το αποτέλεσμα συνδέεται άμεσα με μια ακόμη παράξενη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής: την πιθανοκρατική φύση της. Στον κβαντικό κόσμο τα σωματίδια δεν διαθέτουν μία συγκεκριμένη κατάσταση μέχρι να παρατηρηθούν. Αντίθετα, υπάρχουν ως ένα «νέφος πιθανοτήτων», μέσα στο οποίο συνυπάρχουν πολλές πιθανές εκδοχές της πραγματικότητας.
Η ομάδα υπολόγισε πώς μεταβάλλονται αυτές οι πιθανότητες όταν το κύμα του φωτονίου αποκόπτεται. Τα αποτελέσματα, τα οποία έγιναν δεκτά προς δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό *Physical Review Letters*, αποκάλυψαν ότι προκύπτει μια ολόκληρη γκάμα πιθανών καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένης και μίας που περιέχει άπειρο αριθμό φωτονίων.
Στην πράξη, ωστόσο, κάτι τέτοιο δεν πρόκειται να παρατηρηθεί. Η εμφάνιση άπειρου αριθμού φωτονίων θα απαιτούσε το άνοιγμα να κλείσει στιγμιαία, με άπειρη ταχύτητα – κάτι φυσικά αδύνατο. Σε ρεαλιστικές συνθήκες, ακόμη και η εμφάνιση χιλίων φωτονίων θεωρείται εξαιρετικά απίθανη.
Αυτό που εντυπωσίασε περισσότερο τους επιστήμονες δεν ήταν τόσο ο τεράστιος αριθμός πιθανών καταστάσεων, όσο ο τρόπος με τον οποίο αυτές εμφανίζονται όταν γίνονται μετρήσεις από διαφορετικές πλευρές του συστήματος.
Όπως εξηγεί ο Σκάαρ, ένας παρατηρητής που εξετάζει το φωτόνιο από τη μία πλευρά του «κλείστρου» θα το αντιλαμβάνεται σαν ένα απλό μοναδικό φωτόνιο.
Αντίθετα, ένας παρατηρητής από την άλλη πλευρά θα βλέπει ένα απόλυτο κενό, δηλαδή καμία παρουσία φωτονίων. Παρ’ όλα αυτά, η πραγματική κατάσταση του συστήματος παραμένει το ίδιο σύνθετο μίγμα που εκτείνεται από το μηδέν έως το άπειρο.
Η ανακάλυψη αυτή οδηγεί τους φυσικούς σε βαθύτερα ερωτήματα για τη φύση των σωματιδίων και τον τρόπο με τον οποίο τα περιγράφουμε.
Το γεγονός ότι μια τόσο περίπλοκη κβαντική κατάσταση μπορεί τοπικά να εμφανίζεται ως κάτι εξαιρετικά απλό αμφισβητεί ορισμένες από τις παραδοσιακές αντιλήψεις γύρω από τα στοιχειώδη σωματίδια.
Οι ερευνητές εξετάζουν ήδη αν το ίδιο φαινόμενο μπορεί να ισχύει και για άλλα κβαντικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια. Μακροπρόθεσμος στόχος τους είναι να αναπτύξουν έναν πιο σαφή και ακριβή τρόπο περιγραφής των αλληλεπιδράσεων μεταξύ σωματιδίων.
Σήμερα, τα κβαντικά σωματίδια θεωρείται ότι εκτείνονται θεωρητικά στο άπειρο, γεγονός που δημιουργεί προβλήματα στην περιγραφή της αιτιότητας, δηλαδή της σχέσης αιτίας και αποτελέσματος.
Οι νέες «περικομμένες» καταστάσεις φωτονίων ενδέχεται να προσφέρουν μια λύση, καθώς επιτρέπουν πιο ξεκάθαρη σύνδεση ανάμεσα στα γεγονότα που προκαλούν μια αλληλεπίδραση και στα αποτελέσματά της.
Παρότι απαιτείται ακόμη πολλή θεωρητική δουλειά, οι επιστήμονες θεωρούν ότι το εύρημα αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς μια βαθύτερη κατανόηση του κβαντικού κόσμου.
Και ίσως, τελικά, η απλή ερώτηση «τι συμβαίνει αν κόψεις ένα φωτόνιο;» να αποδειχθεί κλειδί για να κατανοήσουμε καλύτερα τα θεμέλια της ίδιας της πραγματικότητας.