Rozrezanie jedného fotónu na polovicu vytvorí nekonečný roj častíc

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Fyzici simulovali prerušenie letu fotónu optickou uzávierkou.

• Zásah nevyprodukuje dva fotóny, ale nekonečne veľa častíc.

• Tento komplexný stav narúša štandardné vnímanie kvantovej mechaniky.

Podľa definície elementárnych častíc nie je možné fotón mechanicky rozdeliť na menšie časti. Výskumníci Johannes Skaar, Jan Gulla a Isak Cecil Onsager Rukan však v časopise Physical Review Letters publikovali teoretickú štúdiu o jeho skrátení. Analyzovali situáciu, pri ktorej rýchla optická uzávierka zachytí a preruší pohyb fotónu počas jeho šírenia priestorom.

Aplikácia rovníc kvantovej elektrodynamiky na tento scenár priniesla teoretické výsledky popierajúce bežnú intuíciu. Zásah uzávierky nevytvorí dva menšie fotóny ani jednoduchú zmes jedného fotónu a vákua. Teória predpovedá vznik superpozície a zmesi rôznych počtov fotónov, ktorých množstvo matematicky diverguje až k nekonečnu.

Fotón sa ako každá kvantová častica prejavuje súčasne ako lokalizovaný objekt aj ako vlna. Rozrezanie jeho vlnovej funkcie podľa modelu vyvolá vznik kaskády nových častíc priamo z vákua. Tento dej nastáva v dôsledku lokálnej modifikácie elektromagnetického poľa na kvantovej úrovni.

Nový stav je popísaný integrálmi, ktoré zohľadňujú módy svetla šíriace sa oboma smermi. V izolovaných oblastiach naľavo a napravo od miesta prechodu sa systém javí ako bežný fotón alebo ako prázdne vákuum. Predikovaný nekonečný roj častíc sa formuje výhradne v mieste tohto úzkeho prechodu.

Model potvrdzuje, že generovanie jednotlivých fotónov na požiadanie je fyzikálne nemožné. Každý fotón disponuje vlastnosťou opísanou ako nekonečné chvosty, čo znemožňuje jeho priestorovú lokalizáciu. Tieto teoretické limity majú priamy vplyv na presnosť optických zariadení využívaných v aplikovanom výskume.

Publikovaná teória vyvolala odbornú diskusiu o miere jej skutočnej fyzikálnej reality. Manuel Alfaro v recenznom posudku uviedol, že divergencia počtu častíc je priamym dôsledkom aplikovaných matematických metód. K divergencii podľa neho dochádza vplyvom zavedenia okamžitého Heavisideovho skrátenia a idealizovaných podmienok rozhrania.

Alfaro argumentuje, že uzávierka fotón nereže, ale len mení obálku jeho pulzu. Procesy prerozdelenia energie do módov s nižšou frekvenciou prebiehajú pri nelineárnych procesoch spontánnej parametrickej konverzie.

Napriek odbornej kritike prináša model údaje pre ďalší vývoj kvantovej teórie poľa. Skúmanie hraničných stavov pomáha vedcom definovať limity merateľnosti jednotlivých elementárnych častíc. Získané poznatky sú využiteľné pri navrhovaní zdrojov svetla pre zabezpečenú kvantovú komunikáciu.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Zistenia definujú technické limity pre generovanie častíc v systémoch modernej kvantovej kryptografie a komunikácie.

Zdroj: phys.org foto: ChatGPT