Un photon est une particule unique de lumière, et dans des circonstances normales, il ne peut pas être divisé. Mais un photon n'est pas non plus une particule, dans le sens où il n'a pas d'emplacement spécifique. C'est plutôt un objet étendu.

Alors, si un photon n'est qu'à mi-chemin du processus de réflexion sur un miroir parfait et que vous retirez brusquement le miroir, que se passe-t-il ? La réponse, d'un trio de physiciens norvégiens, s'avère plus complexe que vous ne le pensez.

Parlons d'abord brièvement de la division et de la combinaison des photons. Si c'était une expérience courante dans nos vies, alors projeter une seule couleur de lumière à travers un morceau de verre ou la réfléchir sur une surface pourrait amener les photons à se diviser ou à se combiner. Cela conduirait à un éventail incroyable de couleurs : notre univers serait le voyage au LSD le plus fantastique et légal que vous puissiez imaginer. Mais cela n'arrive généralement pas, d'où le LSD.

Ce qui se passe, c'est que les photons peuvent se diviser et se combiner dans les bonnes circonstances - essentiellement, le milieu à travers lequel la lumière voyage doit changer en réponse à la lumière. Cela peut conduire à un arc-en-ciel de couleurs à partir d'une source de couleur unique.

Techniquement, on dirait que les interactions lumineuses que nous voyons autour de nous sont linéaires, et la combinaison/division des photons est un processus non linéaire. Typiquement, pour surmonter cette non-linéarité, vous avez besoin soit d'un milieu très sensible, soit d'une source de lumière de très haute intensité, comme un laser.

Le retrait soudain du miroir pendant qu'un photon se réfléchit n'est pas non linéaire de la manière dont je le penserais normalement. Mais si vous y réfléchissez plus d'un instant, c'est clairement un événement non linéaire. Cette ligne de pensée est obscurcie par la façon dont nous pensons aux photons uniques sur les miroirs, cependant.

Commençons par l'exemple d'un miroir partiellement réfléchissant. Lorsqu'un photon unique frappe ce miroir, il va soit le traverser, soit s'y réfléchir. Le photon est considéré comme entrant dans un état de superposition où il s'est à la fois réfléchi et transmis (les probabilités de chaque chemin dépendant de la réflectivité du miroir). Si nous plaçons des détecteurs sur le chemin des photons réfléchis et transmis, lorsque l'un d'eux clique, il effondre la superposition, et l'autre chemin potentiel disparaît. Il n'y a aucune circonstance dans laquelle les deux détecteurs cliquent en même temps. Nous n'enregistrons pas un demi-photon de chaque côté.

Naïvement, on pourrait faire le même argument pour un miroir entièrement réfléchissant qui est retiré à mi-chemin de la réflexion. Dans cet argument, le photon entre dans un état de superposition de transmis et réfléchi, avec la probabilité déterminée par le moment où le miroir a été retiré par rapport à la "taille" du photon. Encore une fois, lorsque nous essayons de mesurer quel chemin le photon a pris, nous nous attendrions à ce que la superposition s'effondre, et un seul détecteur cliquerait.

Quand je me suis arrêté pour y réfléchir, il était évident que c'était faux. Mais pour comprendre pourquoi, nous avons besoin d'un bagage théorique supplémentaire.

Le temps et la fréquence sont les deux faces d'une même pièce. Si nous jouons une note sur un piano, il y a une image dans le domaine temporel : une variation régulière de la pression avec le temps qui se poursuit pendant un certain temps. Cette note peut être décrite par une seule fréquence avec une seule amplitude (son volume). Des sons plus compliqués (accords, notes staccato) ont une structure temporelle complexe et sont décrits par des combinaisons plus complexes de fréquences, chacune avec sa propre amplitude (la phase compte aussi, mais nous l'ignorerons).

Cette image est universelle et s'applique à tous les signaux variant dans le temps - et bien plus encore. Quand je grandissais à la ferme, écoutant la radio AM sur une radio à tubes vieux jeu (même à l'époque), la musique était toujours interrompue par un bruit de clic. Le clic venait de notre clôture électrique, qui électrocutait toujours une herbe errante, un mouton mal élevé ou un taureau en rut. Cette impulsion courte et brève générait une courte impulsion électromagnétique (et un taureau en colère). L'impulsion très courte (dans le temps) était présente sur un spectre très large, y compris, à mon grand dam, la diffusion AM.