Kan man dele en foton i to? Svaret er ret vildt, viser nyt studie

Alt lys og al stråling omkring os består af fotoner. Elementarpartikler, som ifølge fysikkens love ikke kan deles i to.

Eller kan de?

Tre forskere ved Universitetet i Oslo stiller i et nyt studie et ganske grundlæggende spørgsmål: Hvad sker der, hvis vi forsøger at skære halen af en foton?

Svaret er ret vildt - og nørdet.

Der kan nemlig opstå alt fra nul til et helt hav af nye fotoner.

Tror, fysikere vil blive overraskede

Studiet, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, er teoretisk. Det vil sige, at forskerne har gennemført et matematisk tankeeksperiment.

I eksperimentet sender de en foton mod et spejl i et vakuum.

Da fotoner opfører sig både som bølger og partikler, kan man forestille sig dem som bølger med en bestemt længde.

Derefter fjerner de spejlet midt i bølgen. Det svarer til at forsøge at skære fotonen over.

Resultatet er aldrig tidligere vist.

Og én af forskerne bag studiet tror, at de fleste fysikere vil blive overraskede.

»Jeg tror, mange fysikere vil sige, at man får en blanding af nul og én foton,« siger Johannes Skaar, som er professor i fysik ved Universitetet i Oslo, til Videnskab.dk's norske søstermedie, Forskning.no.

Men det stemte ikke.

I stedet kan man forestille sig en blanding af mange forskellige tilstande, for eksempel nul, én, ti eller tusind fotoner.

Spændende, at de stiller et så enkelt spørgsmål

Men man skal vide, hvor man skal lede for at opdage denne mærkelige effekt.

På hver side af spejlet vil resultatet nemlig se mere enkelt ud.

Måler man dér, vil det se ud som enten nul eller én foton.

Men det skjuler sandheden om, hvad der sker præcis dér, hvor spejlet stod.

»I midten er der kaos. Det er måske det mærkeligste og det fedeste,« siger Johannes Skaar.

En professor i fysik ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU, kalder det for et flot studie.

»Jeg synes, det er lidt spændende, at de stiller et så enkelt spørgsmål, og så kommer der så meget ikke-trivielt ud af det,« siger Asle Sudbø, der ikke har været involveret i studiet.

Vakuum er ikke helt tomt

Men hvordan kan der pludselig opstå en bunke fotoner, når man starter med kun én?

Det er egentlig ikke så mærkeligt, siger Johannes Skaar.

For at forstå, hvad der sker, må man acceptere, at vakuum faktisk ikke er tomt, selvom vi ofte har den forestilling.

I stedet skal man forestille sig et vakuum som små krusninger på en sø. Det er det, fysikere kalder kvantefelter. Disse felter er til stede hele tiden.

Og de elementarpartikler, verden er bygget af, minder mere om bølger på den konstante sø end om små billardkugler, som de populært fremstilles som.

Så hvad sker der, når spejlet i eksperimentet fjernes? Jo, så tilføres der ny energi til det lukkede system.

Og det er denne energi, der skaber fotonerne i vakuummet, forklarer Johannes Skaar.

»Man kan forestille sig, at vakuum er en sø med forstyrrelser, og så er det spejlet, der får dem til at blive til rigtige fotoner,« siger professoren fra Universitet i Oslo.

Fotonerne ville være opstået alligevel

Men det er ikke det eneste.

Både Johannes Skaar og Asle Sudbø påpeger, at man faktisk ikke behøver at sende en foton ind for at skabe disse nye fotoner.

Selv i et vakuum ville man kunne skabe fotoner ved at fjerne spejlet meget hurtigt.

Noget af det særlige ved fotoner er nemlig, at de ikke har nogen masse, påpeger Asle Sudbø. De har kun energi.

»Du er nødt til at tilføre energi til systemet for at fjerne spejlet. Og dermed skaber du fotoner ud af et vakuum,« siger Asle Sudbø.

I studiet henviser forskerne til et kendt fænomen kaldet Casimir-effekten, som er en fysisk kraft, som opstår fra kvantefelteffekter.

Kan blive vigtigt for kvanteteknologi

Selvom noget lignende kunne være opstået i et vakuum, er det vigtigt at finde ud af, at det faktisk er dette, der bliver resultatet, når man forsøger at skære halen af en foton, påpeger Asle Sudbø.

Stadig flere teknologier udnytter fotoners kvanteeffekter. To eksempler er kvantesensorer og kvantekommunikation.

»Det, forskerne har opdaget, er i virkeligheden en ny regel for, hvordan fotoner opfører sig, når man manipulerer dem hurtigt.«

»Og den nye regel skal man tage højde for, når man designer den slags kvanteoptiske maskiner,« siger Asle Sudbø.

Kan blive vanskeligt at gennemføre

Samtidig påpeger Asle Sudbø, at eksperimentet skal gentages i virkeligheden. Han tror, det bliver svært.

I det nye studie viser forskerne også noget, som har meget lidt med virkeligheden at gøre, påpeger han.

Hvis spejlet fjernes uendeligt hurtigt, viser tankeeksperimentet nemlig, at der kan dannes op til uendeligt mange fotoner.

Johannes Skaar er enig i, at der aldrig vil opstå et uendeligt antal fotoner.

»Det forventede antal producerede fotoner er endeligt. Og det bliver kun meget stort, hvis spejlet fjernes ekstremt hurtigt,« siger Johannes Skaar.

Han er derimod uenig i, at eksperimentet vil være meget vanskeligt at gennemføre.

»At skære halen af kan faktisk være let, så længe fotonen er lang. Til gengæld er det en udfordring at måle, hvad man ender med,« siger professoren.

Undrede sig over resultaterne undervejs

Selv om det nye studie kun er et tankeeksperiment, var det ikke let at gennemføre.

Johannes Skaar havde grublet over problemet i to år, før kandidatstuderende Isak Cecil Onsager Rukan kom med, og selv efter specialet var de ikke i mål.

Undervejs undrede Johannes Skaar, Isak Cecil Onsager Rukan og forsker Jan Gulla sig over meget af det, de fandt. Efter endnu et halvt år nåede de endelig frem til resultatet.

»Jeg blev overrasket undervejs, men ikke over resultatet, da det kom,« slutter Johannes Skaar.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.