Kvantni paradoks: Šta se dešava kada pokušate da presečete česticu svetlosti na pola?

Ako ste ikada pomislili da je lomljenje hrskave štanglice od žitarica neuredan posao koji za sobom ostavlja previše mrvica, zamislite šta bi se desilo da pokušate da „polomite” foton.

Kao fundamentalne (osnovne) čestice, fotoni se prema zakonima fizike ne mogu podeliti na manje delove. Međutim, teorijski fizičari su izračunali šta bi se dogodilo kada biste ipak pokušali da česticu svetlosti rascepite na pola. Rezultat prkosi zdravoj logici: umesto da dobijete dva manja fotona, iz ovog procesa moglo bi da se „oruni” i raspe potencijalno beskonačan broj novih svetlosnih čestica.

Ovo fascinantno otkriće, koje je prihvaćeno za objavljivanje u uglednom naučnom časopisu Physical Review Letters, izazvalo je u prvi mah nevericu među stručnjacima. Prva reakcija mnogih fizičara bila je da je ideja potpuno besmislena – sve dok nisu detaljno proučili matematičke modele i jednačine, shvativši da je primenjena teorijska tehnika potpuno legitimna i naučno utemeljena.

Kada se tačkasta čestica ponaša kao talas

Cela analiza se oslanja na fundamentalnu osobinu kvantne mehanike poznatu kao talasno-čestični dualizam. Fotoni nisu samo minijaturne, tačkaste strukture; oni se istovremeno ponašaju i kao prostorno prošireni talasi. To je navelo naučnike da postave provokativno pitanje: Šta bi se dogodilo ako bismo imali uređaj koji je dovoljno brz da bukvalno preseče talas jednog jedinog fotona tačno na pola?

Koristeći složene kvantne jednačine, naučni tim je modelovao sledeći scenario:

• Foton se kreće prema ogledalu.

• Prednja polovina svetlosnog talasa prva udara u ogledalo i odbija se nazad u pravcu iz kojeg je došla.

• U deliću sekunde, ogledalo se naglo i brzinom munje uklanja.

• Zadnja polovina svetlosnog talasa sada ima slobodan put i nastavlja da se kreće pravo napred, prolazeći kroz mesto gde je ogledalo malopre stajalo.


Matematika pokazuje da bi ovakvo nasilno cepanje talasa stvorilo kompleksnu mešavinu ili superpoziciju (stanje u kom sistem postoji u više mogućih oblika istovremeno) sa različitim brojem fotona.

Kada bi se ogledalo uklonilo beskonačno brzo, to bi iz čistog vakuuma i ništavila stvorilo beskonačan broj čestica svetlosti. Naravno, beskonačna brzina je u realnom fizičkom svetu nemoguća. Međutim, naučnici ističu da čak i ako bi se ogledalo pomeralo znatno sporije, i dalje bismo završili sa nekoliko novih fotona ili čitavim jatom svetlosnih čestica. Razlika je samo u tome što je u sporijem scenariju verovatnoća za nastanak manjeg broja čestica znatno veća nego za nastanak džinovskih rojova.

Energija vakuuma i kvantno „ludilo”

Iako sve ovo zvuči bizarno, fizičari objašnjavaju da to u kvantnom svetu zapravo i nije tako neobično. Nauci je odranije poznato da narušavanje i uznemiravanje naizgled „praznog” prostora – odnosno vakuuma – može bukvalno da „istrese” i oslobodi nove fotone. U ovom konkretnom slučaju, kinetička energija koja se unosi u sistem brzim pomeranjem ogledala transformiše se i materijalizuje u nove čestice svetlosti.

Ipak, najčudniji ishod ovog matematičkog modela jeste ono što bi posmatrač video u zavisnosti od sopstvene perspektive:

Ako biste imali pogled na obe strane ogledala istovremeno, prisustvovali biste haotičnoj eksploziji koja broji na milijarde novih fotona. Međutim, ako biste u tom trenutku mogli da vidite samo jednu ili samo drugu stranu ogledala, videli biste ili samo jedan jedini foton, ili savršeni, prazni vakuum.

Ovaj fenomen naučnici opisuju kao „potpuno ludilo” i planiraju da ga dublje istraže u budućim radovima. Sledeći korak je testiranje šta bi se dogodilo kada bi se isti princip primenio na druge elementarne čestice koje se ponašaju kao talasi, poput elektrona.

Gde bi ovo otkriće moglo da nađe primenu?

Iako se radi o fundamentalnoj teorijskoj fizici čija praktična primena nije odmah očigledna, potencijalni dometi su ogromni. Stručnjaci koji se bave optikom i kvantnim tehnologijama spekulišu da bi ovo razumevanje prirode fotona moglo biti ključno za oblasti koje koriste napredne kvantne senzore.

Jedan od primera su detektori gravitacionih talasa – ekstremno osetljivi instrumenti koji mere same nabore u prostoru i vremenu. Precizno manipulisanje pojedinačnim fotonima i razumevanje kako se oni ponašaju pod ekstremnim uticajima moglo bi drastično da unapredi tehnologiju merenja i detekcije na najsitnijim mogućim nivoima u svemiru.

Foto: Freepik

Autor: Portal ObjektivNI.rs