Prema samoj definiciji, elementarne čestice nemoguće je rastaviti na manje dijelove. Unatoč tome, nova teorijska studija objavljena u prestižnom časopisu Physical Review Letters (dostupna i na repozitoriju arXiv), istražila je što bi se dogodilo kada bi se taj proces ipak pokušao primijeniti na jednom fotonu. Rezultat do kojeg su teorijski fizičari došli iznimno je neobičan: umjesto stvaranja dvaju manjih fotona, pokušaj njihova "rezanja" stvorio bi beskonačan broj novih čestica – doslovno ni iz čega.

Učinak optičkog zatvarača

Kao i svaka druga kvantna čestica, foton istodobno postoji u dva oblika – kao jedna, lokalizirana čestica i kao val koji se širi prostorom. Tim znanstvenika je u svojem istraživanju analizirao scenarij u kojem pojedinačni foton prolazi kroz optički zatvarač, odnosno iznimno brzo zrcalo koje se može uključivati i isključivati kako bi blokiralo dio svjetlosnog impulsa. Ako je zatvarač dovoljno brz, on može presresti foton usred impulsa i time "odsjeći" dio njegovog vala.

Kako bi otkrili što se događa nakon tog trenutka, znanstvenici su primijenili kvantne jednadžbe koje opisuju ponašanje elektromagnetskog polja fotona na kvantnoj razini. Njihova je analiza precizno pratila kako bi intervencija optičkog zatvarača transformirala kvantno stanje fotona. Umjesto očekivanog ishoda, u kojem bi s jedne strane zatvarača ostao foton, a s druge vakuum, brzi rad mehanizma stvara znatno složeniju situaciju: superpoziciju stanja koja istovremeno sadrži – beskonačno mnogo fotona.

Ovaj se fenomen pojavljuje zato što u kvantnoj mehanici prazan prostor zapravo nije potpuno prazan, već u stvarnosti "vrije" od fluktuacija unutar elektromagnetskog polja. Brzim prebacivanjem optičkog zatvarača te se fluktuacije poremete, što spontano uzrokuje stvaranje novih fotona. Ključno je pritom da bi stanje, ako bi se promatralo isključivo područje u neposrednoj blizini rada zatvarača, djelovalo varljivo normalno – potpuno nerazlučivo od jednog fotona s jedne strane i običnog vakuuma s druge strane.

Buduća znanstvena istraživanja

Ovaj rezultat pruža upečatljiv primjer toga koliko se kvantne čestice ponašaju drugačije od objekata iz svakodnevnog života. Istovremeno, studija otvara dublja pitanja o načinu na koji se kvantni sustavi mjere te kako se informacije lokaliziraju u prostoru. U svojim budućim istraživanjima ovaj tim planira otići korak dalje. Glavni cilj bit će im istražiti primjenjuje li se ista bizarna fizika i u situacijama kada je uključeno više od jednog fotona, kao i proširiti dosadašnju analizu na ostale elementarne čestice, poput elektrona.