فوتونها برخلاف بسیاری از ذرات دیگر قابل تقسیم به دو بخش نیستند؛ اما بررسی دانشمندان در مطالعهای تازه در این راستا به نتایجی عجیب درباره ماهیت نور و رفتار کوانتومی آن انجامید.
به گزارش فرارو به نقل از پاپولر مکانیکس، پژوهش جدیدی از سه فیزیکدان دانشگاه اسلو در نروژ نشان میدهد تلاش برای «بریدن» یک فوتون میتواند پیامدی بسیار متفاوت از انتظار داشته باشد: به جای اینکه ذره نور به دو بخش تقسیم شود، حالتی کوانتومی ایجاد میشود که شامل تعداد نامحدودی فوتون است.
این پژوهش که در نشریه علمی معتبر «Physical Review Letters» منتشر شده، از یک پرسش ساده اما پیچیده آغاز شد: اگر یک فوتون را «کوتاه کنیم» یا بخشی از آن را حذف کنیم، چه اتفاقی میافتد؟
در نگاه نخست، پاسخ روشن به نظر میرسد: فوتون یک ذره بنیادی است و مانند ذرات مرکبی که میتوانند به اجزای کوچکتر تقسیم شوند، قابل نصف شدن نیست. اما نور در دنیای کوانتومی رفتارهایی دارد که با شهود روزمره ما سازگار نیست. پژوهشگران در توضیحات خود نوشتند: «فوتون، بهعنوان یک ذره بنیادی، نمیتواند به دو نیمه تقسیم شود. با این حال، میتوان بخشی از یک پالس نوری را با استفاده از ابزارهایی مانند یک دریچه نوری حذف کرد.»
به بیان سادهتر، اگرچه نمیتوان خود فوتون را مانند یک جسم فیزیکی برید، میتوان مسیر یک موج یا پالس نوری را تغییر داد و بخشی از آن را متوقف کرد. اما پرسش اصلی این است که پس از چنین عملی، وضعیت کوانتومی فوتون چه خواهد بود.
فوتونها برخلاف تصور، «لبه» مشخصی ندارند
پالسهای نوری را میتوان مانند پرتوهای لیزری بسیار دقیق و کوتاه تصور کرد که تعداد اندکی فوتون را در مدتزمانی بسیار کوتاه منتقل میکنند. با این حال، قطع کردن این جریان نور به سادگی بریدن یک جسم کوچک نیست. یکی از دلایل این پیچیدگی آن است که فوتونها دارای چیزی هستند که فیزیکدانان از آن به عنوان «دنباله بینهایت» یاد میکنند. به این معنا که حالت یک فوتون محدود به یک نقطه مشخص در فضا یا زمان نیست و اثر آن به شکل ریاضی تا بینهایت امتداد پیدا میکند.
پژوهشگران دریافتند وقتی بخشی از یک فوتون با استفاده از یک دریچه نوری حذف میشود، نتیجه حالتی بسیار پیچیده است که میتواند شامل تعداد نامحدودی فوتون باشد. به عبارت دیگر، در سطح نظری، تلاش برای «قطع کردن بخشی از فوتون» ممکن است به جای کاهش آن، مجموعهای از حالتهای جدید فوتونی ایجاد کند؛ حتی اگر دریچه بهآرامی بسته شود.
این نتیجه برخلاف انتظار معمول است. در تصور کلاسیک، اگر بخشی از چیزی را حذف کنیم، باقیمانده کوچکتر میشود. اما در دنیای کوانتومی، قطع کردن یک فوتون میتواند مانند افسانه هیدرا عمل کند؛ موجودی اسطورهای که با بریدن سرش، سرهای بیشتری تولید میکرد.
یک آزمایش نظری برای درک لحظه بریدن فوتون
برای بررسی دقیق این پدیده، دانشمندان دانشگاه اسلو یک مدل نظری سادهشده طراحی کردند. این نوع مدلها در فیزیک «مدل اسباببازی» نامیده میشوند؛ یعنی نسخهای بسیار ساده از یک پدیده پیچیده که به پژوهشگران اجازه میدهد عوامل اصلی را جدا و بررسی کنند.
در این مدل، جهان به یک فضای یکبعدی محدود شد و تنها یک نوع قطبش نوری در نظر گرفته شد. سپس یک فوتون منفرد به سمت دریچهای شبیه آینه هدایت شد که در مسیر حرکت آن قرار داشت و بخشی از آن را قطع میکرد. نتیجه شگفتانگیز بود. به جای اینکه دو قطعه ناقص نور ایجاد شود، فرآیند قطع شدن دو بخش مستقل به وجود آورد:
یک بخش مانند خلأ خالص رفتار کرد؛ یعنی هیچ فوتونی در آن وجود نداشت. بخش دیگر نیز مانند یک فوتون کامل باقی ماند. هیچیک از این دو بخش، اثری از اینکه پیشتر بخشی از یک ساختار بزرگتر بودهاند نشان نمیدادند.
کاربردهای احتمالی در آینده فیزیک کوانتومی
پژوهشگران تأکید میکنند این نتیجه به معنای آن نیست که میتوان فوتونها را در آزمایشهای روزمره نصف کرد. این مطالعه یک شرایط بسیار خاص و ایدهآلشده را بررسی کرده است تا واکنش فوتونها به فرآیند حذف بخشی از حالت نوری بهتر درک شود.
با این حال، نتایج این تحقیق میتواند برای دانشمندانی که روی حالتهای کوانتومی پیچیده، رابطه میان علت و معلول در سیستمهای کوانتومی و رفتار نور در شرایط غیرمعمول کار میکنند، اهمیت داشته باشد.
به گفته محققان، چنین مدلهایی ممکن است به درک بهتر شرایطی کمک کنند که در آن فوتونها با موانع یا تغییرات ناگهانی مواجه میشوند. اگرچه این پدیدهها در چارچوب فیزیک کلاسیک سادهتر به نظر میرسند، اما اطلاعات بهدستآمده از بررسی فوتونهای «بریدهشده» میتواند در آینده برای مطالعه جنبههای عمیقتر جهان کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.
این پژوهش بار دیگر نشان میدهد که در مقیاسهای بسیار کوچک، طبیعت رفتاری دارد که گاهی با منطق روزمره انسانها سازگار نیست و حتی پرسشی ساده درباره یک ذره نور میتواند به کشف مفاهیمی پیچیده درباره ساختار بنیادی جهان منجر شود.