Foton to nie kiełbasa. Nie możemy odciąć sobie plasterka i odłożyć reszty do lodówki. Mamy do czynienia z kwantem światła, pojedynczym wzbudzeniem i najmniejszą porcją pola elektromagnetycznego. Foton jest zarazem uważany za cząstkę elementarną, czyli za coś, co z samej natury pozostaje niepodzielne. Nie zawiera w swoim wnętrzu żadnych mniejszych elementów, na które dałoby się go rozkręcić, bo w ogóle nie posiada żadnego wnętrza.
Na tym właściwie moglibyśmy zakończyć, gdyby nie to, że znajdujemy się na terytorium mechaniki kwantowej, gdzie każdy subatomowy obiekt prowadzi podwójne życie. W pewnych okolicznościach foton zachowuje się jak przykładna cząstka: zostawia punktowy ślad na ekranie albo zmusza detektor do pojedynczego kliknięcia. W innych sytuacjach potrafi natomiast wykazywać charakterystyczne cechy fali. A fala, jak wiadomo, pozostaje rozciągnięta w przestrzeni.
W tym miejscu zaczynają się pytania, bo skoro coś ma długość, to dlaczego nie dałoby się tego przepołowić? I co stanie się, jeśli tego spróbujemy?
Muszę zacząć od przypomnienia na wskroś kwantowego faktu, że mówiąc o fali fotonu, elektronu, neutrina czy jakiejkolwiek innej cząstki, nie mam na myśli fali materii. Rozciąga się nie substancja fotonu, lecz jego kwantowe alter ego: opis amplitud mówiących, gdzie i z jakim prawdopodobieństwem może on oddziaływać. Z kształtu fali ψ (psi) nie możemy się dowiedzieć, gdzie dokładnie leży foton, a jedynie ustalić, jaką mamy szansę na jego znalezienie w tym lub innym punkcie w przestrzeni. Do momentu pomiaru cząstka pozostaje kwantowym obłokiem możliwości.
Powyższe rozróżnienie jest bardzo ważne dla tej historii. Rozległy stan nie oznacza rozległego kawałka materii, podobnie jak długa lista możliwych wyników rzutu kostką nie czyni samej kostki objętościowo większej. Foton może mieć falową tożsamość i rozciągać się na wiele metrów, a mimo to zostaje pochłonięty lub wyemitowany jako jedna całość. Wiedział o tym już Albert Einstein, który w swojej pionierskiej pracy o efekcie fotoelektrycznym stwierdził:
Kwanty energii, zlokalizowane w punktach przestrzeni, poruszają się bez dzielenia i mogą być pochłaniane oraz wytwarzane tylko jako całość.
Albert Einstein, 1905
Nieco zgrabniej, a na pewno bardziej obrazowo, przedstawił tę zasadę George Gamow:
Natura nakazuje nam wypić duże piwo albo żadnego.
George Gamow, 1940
Żeby nie ugrzęznąć w abstrakcji, przełóżmy tę wiedzę na proste doświadczenie. Pojedynczy foton pada na nieruchomą półprzepuszczalną płytkę. Gdybyśmy mieli do czynienia ze zwykłą wiązką złożoną z wielu fotonów, sprawa byłaby prosta – 50% światła uległoby odbiciu, a 50% przeszłoby na drugą stronę.
Ale jak na płytkę zareaguje pojedyncza sztuka? Nie otrzymamy połówek fotonów, niosących połowę początkowej energii, lecz superpozycję dwóch możliwości: albo foton w całości zostanie odbity, albo w całości przejdzie na drugą stronę.
Nigdy nie uświadczymy jakichś półkliknięć detektorów. Cząstka ma równą szansę na wybór jednej z dwóch dostępnych dróg. Układ optyczny rozdziela falę prawdopodobieństwa opisującą zachowanie fotonu, ale nie sam foton.
Nieco nowego światła (nomen omen) na ten problem postanowili rzucić ostatnio fizycy z Uniwersytetu w Oslo. Od razu powiem, że oni również nie znaleźli sposobu na przepołowienie kwantu, ale uzyskany przez nich rezultat zdecydowanie zasługuje na komentarz.
Idąc w ślady Norwegów, zmieńmy nieco konfigurację doświadczenia. Zamiast statycznej półprzepuszczalnej płytki ustawiamy na drodze światła idealne lustro, które możemy w dowolnej chwili wkładać i wyciągać z układu. Kiedy bariera jest obecna, odbija każdy nadciągający foton, kiedy zaś znika, pozostawia mu zupełnie wolną przestrzeń.
Wątpliwość dotyczy tego, co dokładnie stanie się, kiedy usuniemy lustro w momencie odbijania fotonu. Co, jeżeli przeszkoda zniknie nagle w trakcie przechodzenia kwantowej fali prawdopodobieństwa? Chodzi o sytuację, w której czoło fali zdąży się odbić, ale jej ogon zostanie przepuszczony na drugą stronę.
Kierując się wcześniejszym przykładem półprzepuszczalnej płytki, mamy prawo oczekiwać superpozycji dwóch możliwości: cały foton zostanie odbity albo cały przechodzi. Znów możemy powtórzyć, że podzielona została fala prawdopodobieństwa, ale nie sama cząstka.
To bardzo rozsądna (przynajmniej jak na standardy fizyki kwantowej) odpowiedź i do pewnego stopnia poprawna. Jednak kiedy Norwegowie spróbowali opisać tę sytuację szczegółowo, otrzymali przedziwny rezultat.
Chociaż fotonu rozczłonkować się nie da, detektory śledzące eksperyment i tak mogłyby kliknąć dwa, trzy, a nawet dziesięć razy. Istnieje niezerowa szansa na narodziny całego roju zupełnie nowych fotonów. W każdym razie, tak sugeruje kwantowa teoria pola.
Główny kłopot polega na tym, że nawet w przypadku pojedynczego fotonu jego fala nie ma ostrych krawędzi. Amplituda cząstki nie powinna gwałtownie urywać się w wybranym punkcie. Za każdym pakietem falowym ciągnie się ogon malejący formalnie w nieskończoność. Może być on niewyobrażalnie słaby, ale nie całkowicie równy zeru.
Tymczasem znikające lustro dokonuje właśnie takiego bezwzględnego zgilotynowania przechodzącej fali. Przednia część zostaje odbita, późniejsza przechodzi, a pomiędzy nimi pojawia się ostra granica.
Natura bardzo nie lubi takich stanów i szuka sposobu na ich kamuflowanie. W tym przypadku wykorzystuje właściwości samej próżni.
W potocznym sensie próżnia to nic: brak cząstek, brak energii, pustka, nicość. Jeżeli jednak czytacie ten blog od dawna, doskonale wiecie, że na poziomie subatomowym nie istnieje żadna dosłowna pustka. Każdy skrawek przestrzeni wypełniają pola kwantowe, buzuje fluktuacjami, zaś próżnia kreuje i natychmiast unicestwia całe ławice cząstek[1]. To mikroskopowy jarmark, który nigdy się nie zwija.
Oczywiście to nie oznacza, że przestrzeń stanowi darmowy automat z fotonami. Cząstki, o których mowa, są wirtualne: żyją na kredyt, który muszą zwrócić, znikając w absurdalnie krótkim ułamku sekundy.
Mimo tej ulotności zostawiają swój ślad w wielu procesach, a w niektórych przypadkach mogą nawet awansować do rangi cząstek rzeczywistych. Żeby jednak do tego doszło, taka cząstka musi znaleźć sponsora, który ureguluje jej energetyczny rachunek. Chyba najbardziej znanym przykładem takiego zjawiska jest promieniowanie Hawkinga. Wirtualne cząstki na krawędzi horyzontu zdarzeń stają się rzeczywiste, podkradając masę czarnej dziury.
Przy okazji egzekucji fotonu dochodzi do czegoś podobnego, ale sponsorem zostaje mechanizm sterujący lustrem. Zmieniając swoje położenie, przesłona wnosi do układu energię, a zarazem ma szansę zamącić pobliską przestrzeń.
Próżnia i wypełniające ją pola kwantowe mają swoje ulubione sposoby drgania, które zależą od tego, co stoi im na drodze. Obecność zwierciadła narzuca warunek: w tym miejscu fale pola elektromagnetycznego mają się odbijać. Kiedy lustro znika, zmienia się też cały zestaw dopuszczalnych drgań pola. Jeśli usuniemy je szybko, pole zostanie wzburzone.
Pomyślcie o polu jak o strunie gitary. Zsuńcie palec bardzo ostrożnie, a struna zdąży się dopasować i nic nie usłyszycie. Szarpnijcie, a dostaniecie dźwięk.
Analogicznie, podczas powolnego usuwania lustra pole ma szansę nadążyć za zmianą i płynnie znaleźć dla siebie nowy, najwygodniejszy dostępny stan. Przy gwałtownym przełączeniu nie ma na to czasu. W polu powstają wzbudzenia, które detektory rejestrują jako nowe fotony.
Na dobrą sprawę, przyczyną tego zjawiska nie jest sama próba zgilotynowania jakiegoś przelatującego fotonu, tylko brutalna zmiana stanu pola. Dodatkowe fotony pojawiające się w wąskim pasie pozostawionym po usuniętej przesłonie to rodzaj kwantowego szwu pomiędzy wcześniej rozdartymi obszarami.
Problem naszego fotonu zostaje załatwiony przy okazji. Pakiet falowy nie powinien mieć ostrej krawędzi, dlatego pole elektromagnetyczne w miejscu przecięcia przyjmuje bardziej złożony stan, wypełniony mieszaniną fal, która wygładza granicę.
Bardzo podobny efekt opisano już w 1970 roku, przewidując, że poruszająca się odpowiednio szybko bariera może wytrącać z pobliskiej przestrzeni prawdziwe cząstki. Zjawisko nazwano dynamicznym efektem Casimira[2]. Przez kolejne dekady uchodziło za teoretyczną ciekawostkę, głównie dlatego, że wymaga układu z przesłoną usuwaną w tempie bliskim prędkości światła.
Dopiero w 2011 roku zespół z Uniwersytetu Technicznego Chalmersa obszedł ten problem. Zamiast szarpać się z fizycznym zwierciadłem, szwedzcy fizycy manipulowali polem magnetycznym w taki sposób, aby zachowywało się jak migające lustro. Z pustego obwodu popłynęły fotony promieniowania mikrofalowego.
Przez cały czas podkreślam tu wagę tempa usuwania lustra. To ono decyduje o tym, jak mocno zostanie wzburzona próżnia i ilu nowych fotonów możemy oczekiwać. Im szybsza zmiana (a jednocześnie ostrzejsze cięcie), tym większa szansa na zaobserwowanie kwantowego szwu.
Teoretycznie nie ma limitu. Usunięcie przeszkody może doprowadzić do narodzin 0, 1, 2, 3 albo miliona nowych cząstek. Jednak w realistycznym wariancie nie powinniśmy się spodziewać spektakularnych wyników. Aby układ wytwarzał średnio tylko jeden dodatkowy foton, przesłona musiałaby zanikać w czasie rzędu 10-14 sekundy. To 10 femtosekund, czyli mniej więcej tyle, w ile światło pokonuje zaledwie trzy mikrometry – długość przeciętnej bakterii[3]. W każdej wolniejszej konfiguracji najczęściej nie zauważymy żadnego efektu.
Z tego powodu propozycja Norwegów pozostaje, przynajmniej na razie, w sferze eksperymentów myślowych. Jednak skoro już wcześniej udało się udokumentować dynamiczny efekt Casimira, to może i w tym przypadku doczekamy się weryfikacji.
Tymczasem mam nadzieję, że rozważania o ścinaniu fotonów, pozwoliły mi przemycić kilka niekoniecznie oczywistych myśli na temat fal, cząstek i przede wszystkim kwantowej natury przestrzeni.
Ostatnie komentarze: