از «هیچ» تا «بی‌نهایت»؛ اگر یک «ذرۀ نور» را تقسیم کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟

فرادید| در این مطالعه که به‌صورت شبیه‌سازی انجام شده، پژوهشگران تصور کرده‌اند یک فوتون از میان یک «شاتر» عبور می‌کند که در لحظه عبور بسته می‌شود؛ به‌عبارت دیگر، بخشی از موج فوتون قطع می‌شود. در نتیجه این فرایند، نه یک فوتون ساده باقی‌مانده و نه هیچ‌چیز قابل پیش‌بینی معمول، بلکه ترکیبی پیچیده از حالت‌هایی به وجود می‌آید که می‌تواند از صفر فوتون تا حتی تعداد نامحدود فوتون را شامل شود.

به گزارش فرادید؛ فوتون‌ها بسته‌های بنیادی نور هستند و از چیزی کوچک‌تر ساخته نشده‌اند. بنابراین «تقسیم کردن» آن‌ها در معنای کلاسیک اصلاً امکان‌پذیر نیست. اما در مکانیک کوانتومی، فوتون هم‌زمان هم ویژگی ذره دارد و هم موج؛ و همین ویژگی موجی باعث می‌شود بتوان سناریوهایی نظری مثل «قطع کردن بخش از موج فوتون» را بررسی کرد.

به گفته یوهانس اسکار، یکی از پژوهشگران این مطالعه، انتظار اولیه بیشتر فیزیک‌دانان این بود که پس از این فرایند یا هیچ فوتونی باقی نماند یا فقط یک فوتون مشاهده شود. اما محاسبات نشان داد واقعیت دقیق‌تر از این تصور ساده است و طیفی از حالت‌های احتمالی به‌وجود می‌آید.

نکته عجیب‌تر این است که این حالت‌ها ماهیتی کاملاً احتمالاتی دارند. در مکانیک کوانتومی، ذرات تا پیش از اندازه‌گیری در وضعیت «برهم‌نهی» از حالت‌های مختلف قرار دارند و تنها می‌توان احتمال هر نتیجه را محاسبه کرد. در اینجا نیز تعداد فوتون‌های نهایی به سرعت بسته شدن شاتر وابسته است: هرچه قطع شدن سریع‌تر باشد، احتمال ایجاد تعداد بسیار زیاد فوتون بیشتر می‌شود، هرچند رسیدن به مقادیر خیلی بالا یا بی‌نهایت در عمل بسیار بعید است.

پژوهشگران همچنین دریافتند که از دیدهای مختلف، این پدیده کاملاً متفاوت دیده می‌شود: از یک سمت شاتر ممکن است سیستم مانند یک فوتون واحد به نظر برسد، در حالی که از سمت دیگر همان وضعیت به شکل «خلأ کامل» (هیچ فوتونی) دیده می‌شود. اما در نگاه کلی، وضعیت واقعی ترکیبی پیچیده از همه این حالت‌هاست.

این نتیجه پرسش‌های بنیادی درباره ماهیت ذرات و نحوه تعامل آن‌ها ایجاد می‌کند. پژوهشگران می‌گویند این مدل‌های نظری می‌توانند به بازتعریف نحوه توصیف برهم‌کنش ذرات کمک کنند و حتی مسائل مربوط به علیت (رابطه علت و معلول در فیزیک ذرات) را روشن‌تر سازند.

به بیان ساده‌تر، این پژوهش نشان می‌دهد که در جهان کوانتومی، چیزی که ما «یک ذره نور» تصور می‌کنیم، می‌تواند در شرایط خاص به مجموعه‌ای بسیار پیچیده از احتمال‌ها تبدیل شود؛ مجموعه‌ای که مرز میان «هیچ»، «یک» و «بی‌نهایت» در آن چندان روشن نیست.