فيزيائيون نرويجيون يتساءلون: ماذا لو قطعت فوتونًا إلى نصفين؟ الإجابة هي قوس قزح

الفوتون هو جسيم ضوئي واحد، وفي الظروف العادية لا يمكن تقسيمه. لكن الفوتون ليس جسيمًا أيضًا، بمعنى أنه ليس له موقع محدد. بدلاً من ذلك، هو كائن ممتد.

إذًا، إذا كان الفوتون في منتصف عملية الانعكاس من مرآة مثالية وقمت بسحب المرآة بعيدًا، ماذا يحدث؟ الإجابة، من ثلاثي من الفيزيائيين النرويجيين، تبين أنها أكثر تعقيدًا مما قد تتوقع.

دعنا نتحدث أولاً بإيجاز عن تقسيم ودمج الفوتونات. لو كانت هذه تجربة شائعة في حياتنا، فإن إضاءة لون واحد من الضوء عبر قطعة زجاج أو عكسه من سطح قد تتسبب في تقسيم أو دمج الفوتونات. وهذا سيؤدي إلى مجموعة مذهلة من الألوان: سيكون كوننا أغرب وأكثر رحلة LSD قانونية يمكنك تخيلها. لكن هذا لا يحدث عمومًا، ومن هنا جاءت الـ LSD.

ما يحدث هو أن الفوتونات يمكن أن تنقسم وتندمج تحت الظروف المناسبة - بشكل أساسي، يجب أن تتغير الوسيلة التي ينتقل عبرها الضوء استجابةً للضوء. وهذا يمكن أن يؤدي إلى قوس قزح من الألوان من مصدر لون واحد.

من الناحية الفنية، نقول إن تفاعلات الضوء التي نراها حولنا خطية، وأن دمج/تقسيم الفوتونات هو عملية غير خطية. عادةً، للتغلب على تلك اللاخطية، تحتاج إما إلى وسيلة حساسة جدًا أو مصدر ضوء عالي الكثافة، مثل الليزر.

الإزالة المفاجئة للمرآة بينما ينعكس الفوتون ليست غير خطية بالطريقة التي أفكر بها عادةً. لكن إذا فكرت فيها لأكثر من لحظة، فمن الواضح أنها حدث غير خطي. هذا الخط الفكري محجوب بكيفية تفكيرنا في الفوتونات المفردة عند المرايا.

لنبدأ بمثال مرآة عاكسة جزئيًا. عندما يصطدم فوتون واحد بتلك المرآة، إما أن يمر عبر المرآة أو ينعكس منها. يُعتبر الفوتون أنه يدخل حالة تراكب من كونه قد انعكس ومر (احتمالات كل مسار تعتمد على مدى انعكاسية المرآة). إذا وضعنا كواشف في مسار الفوتونات المنعكسة والمنقولة، عندما ينقر أحدها، ينهار التراكب، ويختفي المسار المحتمل الآخر. لا توجد ظروف ينقر فيها كلا الكاشفين في نفس الوقت. لا نسجل نصف فوتون في كل اتجاه.

بسذاجة، يمكننا تقديم نفس الحجة لمرآة عاكسة تمامًا يتم إزالتها في منتصف الانعكاس. في هذه الحجة، يدخل الفوتون حالة تراكب من المنقول والمنعكس، مع تحديد الاحتمال بوقت إزالة المرآة مقارنة بـ "حجم" الفوتون. مرة أخرى، عندما نحاول قياس أي طريق سلك الفوتون، نتوقع أن ينهار التراكب، وأن ينقر كاشف واحد فقط.

عندما توقفت للتفكير في الأمر، كان واضحًا أن هذا خطأ. لكن لفهم السبب، نحتاج إلى بعض الأمتعة النظرية الإضافية.

الزمن والتردد وجهان لعملة واحدة. إذا عزفنا نغمة على بيانو، هناك صورة في المجال الزمني: تغير منتظم في الضغط مع الزمن يستمر لبعض الوقت. يمكن وصف هذه النغمة بتردد واحد بسعة واحدة (مدى ارتفاعها). الأصوات الأكثر تعقيدًا (الكوردات، النغمات المتقطعة) لها بنية معقدة في الزمن وتوصف بمجموعات أكثر تعقيدًا من الترددات، كل منها بسعته الخاصة (الطور مهم أيضًا، لكننا سنتجاهله).

هذه الصورة عالمية وتنطبق على جميع الإشارات المتغيرة زمنيًا - وأكثر من ذلك بكثير. عندما كنت أكبر في المزرعة، أستمع إلى الراديو AM على راديو أنبوبي قديم الطراز (حتى آنذاك)، كانت الموسيقى دائمًا تنقطع بصوت نقر. كان النقر من سياجنا الكهربائي، الذي كان دائمًا يصعق بعض العشب الضال، أو خروف سيئ التصرف، أو ثور هيجان. ذلك النبض القصير الحاد ولّد نبضة كهرومغناطيسية قصيرة (وثور غاضب). النبضة القصيرة جدًا (في الزمن) كانت موجودة عبر طيف واسع جدًا، بما في ذلك، لإزعاجي، بث AM.