Fisici norvegesi chiedono: cosa succede se tagli un fotone a metà? La risposta è un arcobaleno.

Un fotone è una singola particella di luce e, in circostanze normali, non può essere diviso. Ma un fotone non è nemmeno una particella, nel senso che non ha una posizione specifica. Invece, è un oggetto esteso.

Quindi, se un fotone è solo a metà del processo di riflessione da uno specchio perfetto e tu rimuovi lo specchio, cosa succede? La risposta, da un trio di fisici norvegesi, si rivela più complessa di quanto ci si aspetterebbe.

Parliamo brevemente di dividere e combinare fotoni. Se questa fosse un'esperienza comune nelle nostre vite, allora far passare un singolo colore di luce attraverso un pezzo di vetro o rifletterlo da una superficie potrebbe far sì che i fotoni si dividano o si combinino. Questo porterebbe a una straordinaria gamma di colori: il nostro universo sarebbe il più fantastico e legale trip di LSD che si possa immaginare. Ma questo generalmente non accade, quindi l'LSD.

Quello che accade è che i fotoni possono dividersi e combinarsi nelle giuste circostanze - essenzialmente, il mezzo attraverso cui la luce viaggia deve cambiare in risposta alla luce. Questo può portare a un arcobaleno di colori da una singola sorgente di colore.

Tecnicamente, diremmo che le interazioni luminose che vediamo intorno a noi sono lineari, e la combinazione/divisione dei fotoni è un processo non lineare. Tipicamente, per superare quella non linearità, hai bisogno o di un mezzo molto sensibile o di una sorgente luminosa ad altissima intensità, come un laser.

La rimozione improvvisa dello specchio mentre un fotone si sta riflettendo non è non lineare nel modo in cui normalmente lo penserei. Ma se ci rifletti un attimo, è chiaramente un evento non lineare. Questa linea di pensiero è oscurata da come pensiamo ai singoli fotoni sugli specchi, però.

Iniziamo con l'esempio di uno specchio parzialmente riflettente. Quando un singolo fotone colpisce quello specchio, o lo attraversa o si riflette. Il fotone è considerato entrare in uno stato di sovrapposizione di aver sia riflesso che attraversato (le probabilità di ciascun percorso dipendono da quanto è riflettente lo specchio). Se posizioniamo rivelatori nel percorso dei fotoni riflessi e trasmessi, quando uno scatta, collassa la sovrapposizione, e l'altro percorso potenziale scompare. Non ci sono circostanze in cui entrambi i rivelatori scattano contemporaneamente. Non registriamo mezzo fotone per ogni lato.

Ingenuamente, potremmo fare lo stesso argomento per uno specchio completamente riflettente che viene rimosso a metà della riflessione. In questo argomento, il fotone entra in uno stato di sovrapposizione di trasmesso e riflesso, con la probabilità determinata da quando lo specchio è stato rimosso rispetto alla "dimensione" del fotone. Di nuovo, quando proviamo a misurare da che parte è andato il fotone, ci aspetteremmo che la sovrapposizione collassi, e solo un rivelatore scatti.

Quando mi sono fermato a pensarci, era ovvio che questo era sbagliato. Ma per capire perché, abbiamo bisogno di un bagaglio teorico extra.

Tempo e frequenza sono due facce della stessa medaglia. Se suoniamo una nota su un pianoforte, c'è un'immagine nel dominio del tempo: una variazione regolare della pressione nel tempo che continua per un bel po'. Questa nota può essere descritta da una singola frequenza con una singola ampiezza (quanto è forte). Suoni più complicati (accordi, note staccate) hanno una struttura complicata nel tempo e sono descritti da combinazioni più complicate di frequenze, ciascuna con la propria ampiezza (anche la fase conta, ma la ignoreremo).

Questa immagine è universale e si applica a tutti i segnali variabili nel tempo - e a molti altri ancora. Quando crescevo in fattoria, ascoltando la radio AM su una radio a valvole vecchio stile (anche allora), la musica era sempre interrotta da un rumore di clic. Il clic proveniva dalla nostra recinzione elettrica, che fulminava sempre qualche erba fuori posto, una pecora birichina o un toro arrapato. Quella corrente breve e tagliente generava un breve impulso elettromagnetico (e un toro arrabbiato). L'impulso molto breve (nel tempo) era presente su uno spettro molto ampio, incluso, con mio fastidio, la trasmissione AM.