광자는 빛의 단일 입자이며, 정상적인 상황에서는 나눌 수 없다. 하지만 광자는 또한 특정 위치를 가지지 않는다는 점에서 입자가 아니다. 대신, 그것은 확장된 객체이다.

그렇다면 광자가 완벽한 거울에서 반사되는 과정 중간에 거울을 갑자기 치우면 어떻게 될까? 노르웨이 물리학자 세 명의 답변은 예상보다 더 복잡하다.

먼저 광자를 나누고 합치는 것에 대해 간단히 이야기해보자. 이것이 우리 삶에서 흔한 경험이라면, 단일 색상의 빛을 유리 조각에 통과시키거나 표면에서 반사시키면 광자가 나뉘거나 합쳐질 수 있을 것이다. 그러면 놀라운 색상 배열이 나타날 것이다: 우리 우주는 상상할 수 있는 가장 환상적이고 합법적인 LSD 여행이 될 것이다. 하지만 일반적으로 이런 일은 일어나지 않는다. 그래서 LSD가 필요한 것이다.

실제로 일어나는 일은, 적절한 조건에서 광자가 나뉘고 합쳐질 수 있다는 것이다. 본질적으로, 빛이 통과하는 매질이 빛에 반응하여 변해야 한다. 이는 단일 색상 소스에서 무지개색을 만들어낼 수 있다.

기술적으로 말하자면, 우리 주변에서 보는 빛의 상호작용은 선형적이며, 광자의 결합/분할은 비선형 과정이다. 일반적으로 그 비선형성을 극복하려면 매우 민감한 매질이나 레이저 같은 매우 높은 강도의 광원이 필요하다.

광자가 반사되는 동안 거울을 갑자기 제거하는 것은 내가 일반적으로 생각하는 방식의 비선형적 사건은 아니다. 하지만 잠시만 더 생각해보면, 그것은 분명히 비선형적 사건이다. 이러한 사고 방식은 단일 광자가 거울에 부딪힐 때 우리가 생각하는 방식에 의해 모호해진다.

부분 반사 거울의 예부터 시작해보자. 단일 광자가 그 거울에 부딪히면, 거울을 통과하거나 거울에서 반사된다. 광자는 반사와 투과의 중첩 상태에 들어간 것으로 간주된다(각 경로의 확률은 거울의 반사율에 따라 달라진다). 반사된 광자와 투과된 광자의 경로에 검출기를 배치하면, 하나가 클릭할 때 중첩이 붕괴되고 다른 잠재적 경로는 사라진다. 두 검출기가 동시에 클릭하는 상황은 없다. 우리는 각 경로에서 반쪽 광자를 기록하지 않는다.

순진하게도, 반사 중간에 제거된 완전 반사 거울에 대해서도 같은 주장을 할 수 있다. 이 주장에서 광자는 투과와 반사의 중첩 상태에 들어가며, 확률은 거울이 제거된 시점과 광자의 '크기'에 따라 결정된다. 다시, 광자가 어느 경로로 갔는지 측정하려고 하면 중첩이 붕괴되어 하나의 검출기만 클릭할 것으로 예상된다.

생각을 멈추고 곰곰이 따져보니, 이것이 틀렸다는 것이 명백했다. 하지만 그 이유를 이해하려면 약간의 추가 이론적 짐이 필요하다.

시간과 주파수는 동전의 양면이다. 피아노로 음을 연주하면 시간 영역의 그림이 있다: 시간에 따른 규칙적인 압력 변화가 꽤 오래 지속된다. 이 음은 단일 진폭(얼마나 큰지)을 가진 단일 주파수로 설명될 수 있다. 더 복잡한 소리(화음, 스타카토 음)는 시간적으로 복잡한 구조를 가지며, 각각 고유한 진폭을 가진 더 복잡한 주파수 조합으로 설명된다(위상도 중요하지만 무시하자).

이 그림은 보편적이며 모든 시간 변화 신호에 적용된다. 농장에서 자라면서 구식(그때도) 진공관 라디오로 AM 라디오를 들을 때, 음악은 항상 딸깍거리는 소음으로 중단되었다. 그 딸깍거림은 우리 전기 울타리에서 나온 것이었는데, 항상 길을 잘못 든 풀, 말썽 부리는 양, 또는 흥분한 황소를 감전시키고 있었다. 그 짧고 날카로운 전류는 짧은 전자기 펄스(와 화난 황소)를 생성했다. 시간적으로 매우 짧은 펄스는 매우 넓은 스펙트럼에 걸쳐 존재했으며, 짜증나게도 AM 방송 대역을 포함했다.