Fotonii sunt particule elementare: prin definiție, nu pot fi formați din altceva mai mic. Și totuși, un nou studiu teoretic publicat în Physical Review Letters a calculat exact ce s-ar întâmpla dacă ai încerca să „tai” un singur foton în două, cu ajutorul unui obturator optic suficient de rapid. Răspunsul nu este „doi fotoni mai mici”, așa cum ar sugera intuiția. Este o stare cuantică ciudată, în care numărul de fotoni rezultați variază – cu probabilități diferite – între zero și infinit.

Cercetarea, semnată de Isak Cecil Onsager Rukan, Jonas Gulla și Johannes Skaar, profesor de fizică teoretică la Universitatea din Oslo, pornește de la una dintre cele mai cunoscute trăsături ale mecanicii cuantice: dualitatea undă-particulă. Un foton nu este doar o particulă punctiformă, ci și o undă întinsă în spațiu. Iar o undă, în principiu, poate fi „tăiată”.

Ce înseamnă, de fapt, să tai un foton

Echipa a investigat teoretic ce s-ar întâmpla dacă un singur foton ar trece printr-un obturator – practic o oglindă extrem de rapidă, care poate fi pornită și oprită – și obturatorul s-ar închide exact în timp ce fotonul îl traversează, retezând astfel partea finală a undei sale.

„Cred că majoritatea fizicienilor s-ar aștepta să existe o anumită probabilitate să rămâi cu zero fotoni și o anumită probabilitate să rămâi cu un singur foton, după ce ai făcut asta”, explică Johannes Skaar. „Și acest lucru este aproximativ adevărat, dar nu este exact adevărat”.

Aici intervine natura probabilistică a mecanicii cuantice: înainte de a fi măsurate, particulele nu au o stare definită, ci doar o distribuție de probabilități pentru fiecare stare posibilă. Calculele echipei arată că, în urma „tăierii”, apare o combinație complexă de stări, incluzând una cu un număr infinit de fotoni.

Fiecare dintre aceste stări are o probabilitate proprie, care depinde de cât de rapid se închide obturatorul. Numărul așteptat de fotoni devine infinit doar dacă obturatorul se închide instantaneu, într-un timp infinit de scurt. Pentru viteze realiste, chiar și apariția a o mie de fotoni ar fi extrem de improbabilă – efectul există în formula matematică, nu ca scenariu practic de laborator.

Un singur foton, văzut din două unghiuri, contrazice și el intuiția

Ce i-a surprins cu adevărat pe cercetători nu a fost atât rezultatul global, cât ce se întâmplă dacă măsori fotonul „tăiat” din perspective diferite, de pe cele două părți ale obturatorului.

„Când măsori dintr-o parte a obturatorului, va semăna cu o stare de un singur foton”, spune Skaar. „Apoi, pe partea cealaltă, va semăna cu o stare de vid – asta înseamnă fără fotoni. Și asta este foarte ciudat, pentru că starea reală, globală, este această mixtură de la zero la infinit”.

Cu alte cuvinte: local, fiecare observator vede ceva simplu și familiar. Global, sistemul este o entitate mult mai stranie, care nu se reduce la suma părților ei vizibile.

De ce merită urmărit acest fir teoretic

Faptul că o stare cuantică atât de complexă poate fi tratată local ca stări simple ridică întrebări fundamentale despre ce înseamnă, de fapt, o „particulă”. Skaar și colegii lui exploreaza acum dacă procesul se reproduce și pentru alte particule cuantice, precum electronii.

Motivația nu este pur speculativă. În descrierea standard, particulele se întind teoretic la infinit în spațiu, ceea ce înseamnă că, formal, ele „interacționează” de un timp infinit – o problemă pentru cauzalitate, adică pentru ordinea clară dintre cauză și efect în interacțiunile dintre particule. Un foton „retezat”, cu o coadă tăiată la un moment precis, nu ar avea această problemă: legătura cauzală dintre interacțiuni ar deveni clară.

Skaar recunoaște că mai este mult de lucru până la o descriere teoretică completă a acestui proces, dar consideră noul rezultat un pas important către ceea ce numește „obiectivul final” al echipei: o descriere a interacțiunilor dintre particule în care relația cauzală este, în sfârșit, limpede.

Undeva, într-o ecuație, un foton e tăiat în două și, din asta, se scurge o mulțime nesfârșită de lumini posibile, pe care nimeni nu le va vedea toate deodată.

---

Sursă: I. Cecil Onsager Rukan, J. Gulla, J. Skaar. „Truncated photon.” Physical Review Letters, 2026. DOI: 10.1103/94pm-hp34

Universitatea din Oslo