Norwegische Physiker fragen: Was, wenn man ein Photon in zwei Hälften hackt? Die Antwort ist ein Regenbogen.

Ein Photon ist ein einzelnes Lichtteilchen, und unter normalen Umständen kann es nicht geteilt werden. Aber ein Photon ist auch kein Teilchen in dem Sinne, dass es keinen bestimmten Ort hat. Stattdessen ist es ein ausgedehntes Objekt.

Wenn ein Photon also nur teilweise dabei ist, von einem perfekten Spiegel reflektiert zu werden, und man den Spiegel wegreißt, was passiert dann? Die Antwort eines norwegischen Physiker-Trios erweist sich als komplexer, als man erwarten würde.

Lassen Sie uns zunächst kurz über das Teilen und Kombinieren von Photonen sprechen. Wäre dies eine alltägliche Erfahrung, dann würde das Scheinen einer einzelnen Farbe durch ein Glasstück oder die Reflexion von einer Oberfläche dazu führen, dass Photonen sich teilen oder kombinieren. Dies würde zu einer erstaunlichen Farbenpracht führen: Unser Universum wäre der fantastischste und legalste LSD-Trip, den man sich vorstellen kann. Aber das passiert im Allgemeinen nicht, daher LSD.

Was passiert, ist, dass Photonen sich unter den richtigen Umständen teilen und kombinieren können – im Wesentlichen muss das Medium, durch das das Licht reist, sich als Reaktion auf das Licht ändern. Dies kann zu einem Regenbogen von Farben aus einer einzigen Farbquelle führen.

Technisch gesehen würden wir sagen, dass die Lichtwechselwirkungen, die wir um uns herum sehen, linear sind, und die Kombination/Teilung von Photonen ist ein nichtlinearer Prozess. Normalerweise braucht man, um diese Nichtlinearität zu überwinden, entweder ein sehr empfindliches Medium oder eine sehr intensive Lichtquelle, wie einen Laser.

Das plötzliche Entfernen des Spiegels, während ein Photon reflektiert wird, ist nicht nichtlinear in der Art, wie ich es normalerweise betrachten würde. Aber wenn man einen Moment länger darüber nachdenkt, ist es eindeutig ein nichtlineares Ereignis. Diese Denkweise wird jedoch dadurch verschleiert, wie wir über einzelne Photonen an Spiegeln denken.

Beginnen wir mit dem Beispiel eines teildurchlässigen Spiegels. Wenn ein einzelnes Photon auf diesen Spiegel trifft, wird es entweder durch den Spiegel gehen oder vom Spiegel reflektiert werden. Das Photon gilt als in einen Superpositionszustand eingetreten, in dem es sowohl reflektiert als auch durchgelassen wurde (die Wahrscheinlichkeiten jedes Pfades hängen davon ab, wie reflektierend der Spiegel ist). Wenn wir Detektoren im Pfad der reflektierten und durchgelassenen Photonen platzieren, kollabiert die Superposition, wenn einer klickt, und der andere mögliche Pfad verschwindet. Es gibt keine Umstände, unter denen beide Detektoren gleichzeitig klicken. Wir registrieren nicht ein halbes Photon pro Weg.

Naiverweise könnten wir dasselbe Argument für einen vollständig reflektierenden Spiegel anführen, der mitten in der Reflexion entfernt wird. In diesem Argument tritt das Photon in einen Superpositionszustand von durchgelassen und reflektiert ein, wobei die Wahrscheinlichkeit davon abhängt, wann der Spiegel im Vergleich zur „Größe“ des Photons entfernt wurde. Auch hier würden wir erwarten, dass die Superposition kollabiert, wenn wir versuchen zu messen, welchen Weg das Photon genommen hat, und nur ein Detektor würde klicken.

Als ich innehielt, um darüber nachzudenken, war mir klar, dass dies falsch war. Aber um zu verstehen, warum, brauchen wir etwas zusätzliches theoretisches Gepäck.

Zeit und Frequenz sind zwei Seiten derselben Medaille. Wenn wir eine Note auf einem Klavier spielen, gibt es ein Zeitbereichsbild: eine regelmäßige Druckschwankung über die Zeit, die eine ganze Weile anhält. Diese Note kann durch eine einzelne Frequenz mit einer einzelnen Amplitude (wie laut sie ist) beschrieben werden. Kompliziertere Klänge (Akkorde, Stakkato-Noten) haben eine komplexe Struktur in der Zeit und werden durch kompliziertere Kombinationen von Frequenzen beschrieben, jede mit ihrer eigenen Amplitude (die Phase spielt auch eine Rolle, aber wir ignorieren sie).

Dieses Bild ist universell und gilt für alle zeitveränderlichen Signale – und weit darüber hinaus. Als ich auf dem Bauernhof aufwuchs und AM-Radio auf einem altmodischen (selbst damals) Röhrenradio hörte, wurde die Musik immer von einem Klickgeräusch unterbrochen. Das Klicken kam von unserem Elektrozaun, der immer irgendein verirrtes Gras, ein unartiges Schaf oder einen geilen Bullen schockte. Dieser kurze, scharfe Strom erzeugte einen kurzen elektromagnetischen Impuls (und einen wütenden Bullen). Der sehr kurze Impuls (in der Zeit) war über ein sehr breites Spektrum vorhanden, einschließlich, zu meinem Ärger, des AM-Rundfunks.