Un fotón es una partícula individual de luz y, en circunstancias normales, no se puede dividir. Pero un fotón tampoco es una partícula, en el sentido de que no tiene una ubicación específica. En cambio, es un objeto extendido.

Entonces, si un fotón está solo a medio camino del proceso de reflejarse en un espejo perfecto y de repente quitas el espejo, ¿qué sucede? La respuesta, de un trío de físicos noruegos, resulta ser más compleja de lo que cabría esperar.

Hablemos primero brevemente sobre dividir y combinar fotones. Si esto fuera una experiencia común en nuestras vidas, entonces al hacer brillar un solo color de luz a través de un trozo de vidrio o reflejarlo desde una superficie, los fotones podrían dividirse o combinarse. Esto llevaría a una asombrosa variedad de colores: nuestro universo sería el viaje de LSD más fantástico y legal que puedas imaginar. Pero esto no sucede generalmente, de ahí el LSD.

Lo que sí sucede es que los fotones pueden dividirse y combinarse bajo las circunstancias adecuadas; esencialmente, el medio a través del cual viaja la luz tiene que cambiar en respuesta a la luz. Esto puede llevar a un arcoíris de colores a partir de una fuente de un solo color.

Técnicamente, diríamos que las interacciones de luz que vemos a nuestro alrededor son lineales, y la combinación/división de fotones es un proceso no lineal. Normalmente, para superar esa no linealidad, necesitas un medio muy sensible o una fuente de luz de muy alta intensidad, como un láser.

La eliminación repentina del espejo mientras un fotón se refleja no es no lineal en la forma en que normalmente lo pensaría. Pero si le dedicas más de un momento de reflexión, claramente es un evento no lineal. Esta línea de pensamiento queda oscurecida por cómo pensamos sobre fotones individuales en espejos, sin embargo.

Comencemos con el ejemplo de un espejo parcialmente reflectante. Cuando un solo fotón golpea ese espejo, o atraviesa el espejo o se refleja en él. Se considera que el fotón entra en un estado de superposición de haberse reflejado y haber pasado (las probabilidades de cada camino dependen de cuán reflectante sea el espejo). Si colocamos detectores en el camino de los fotones reflejados y transmitidos, cuando uno hace clic, colapsa la superposición y el otro camino potencial desaparece. No hay circunstancias en las que ambos detectores hagan clic al mismo tiempo. No registramos medio fotón en cada dirección.

Ingenuamente, podríamos hacer el mismo argumento para un espejo totalmente reflectante que se retira a mitad de la reflexión. En este argumento, el fotón entra en un estado de superposición de transmitido y reflejado, con la probabilidad determinada por cuándo se retiró el espejo en comparación con el "tamaño" del fotón. De nuevo, cuando intentamos medir hacia dónde fue el fotón, esperaríamos que la superposición colapsara y solo un detector hiciera clic.

Cuando me detuve a pensar, era obvio que esto estaba mal. Pero para entender por qué, necesitamos algo de equipaje teórico adicional.

El tiempo y la frecuencia son dos caras de la misma moneda. Si tocamos una nota en un piano, hay una imagen en el dominio del tiempo: una variación regular de presión con el tiempo que continúa durante bastante tiempo. Esta nota puede describirse por una sola frecuencia con una sola amplitud (qué tan fuerte es). Los sonidos más complicados (acordes, notas staccato) tienen una estructura complicada en el tiempo y se describen por combinaciones más complicadas de frecuencias, cada una con su propia amplitud (la fase también importa, pero la ignoraremos).

Esta imagen es universal y se aplica a todas las señales que varían en el tiempo, y mucho más allá también. Cuando crecía en la granja, escuchando la radio AM en una radio de tubos anticuada (incluso entonces), la música siempre era interrumpida por un ruido de clic. El clic provenía de nuestra cerca eléctrica, que siempre estaba electrocutando alguna hierba descarriada, una oveja mal comportada o un toro caliente. Ese pulso corto y agudo generaba un pulso electromagnético breve (y un toro enfadado). El pulso muy corto (en el tiempo) estaba presente en un espectro muy amplio, incluyendo, para mi molestia, la transmisión de AM.