Een foton is een enkel deeltje licht, en onder normale omstandigheden kan het niet worden gedeeld. Maar een foton is ook geen deeltje, in de zin dat het geen specifieke locatie heeft. In plaats daarvan is het een uitgestrekt object.
Dus als een foton halverwege het proces van reflectie van een perfecte spiegel is en je trekt de spiegel weg, wat gebeurt er dan? Het antwoord, van een trio Noorse natuurkundigen, blijkt complexer dan je zou verwachten.
Laten we eerst kort praten over het delen en combineren van fotonen. Als dit een alledaagse ervaring in ons leven zou zijn, dan zou het schijnen van een enkele kleur licht door een stuk glas of het reflecteren ervan van een oppervlak ervoor kunnen zorgen dat fotonen delen of combineren. Dit zou leiden tot een verbazingwekkende reeks kleuren: ons universum zou de meest fantastische en legale LSD-trip zijn die je je kunt voorstellen. Maar dit gebeurt over het algemeen niet, vandaar LSD.
Wat er wel gebeurt, is dat fotonen kunnen delen en combineren onder de juiste omstandigheden - in wezen moet het medium waardoor het licht reist veranderen als reactie op het licht. Dit kan leiden tot een regenboog van kleuren uit een enkele kleurbron.
Technisch gezien zouden we zeggen dat de lichtinteracties die we om ons heen zien lineair zijn, en de combinatie/deling van fotonen is een niet-lineair proces. Om die niet-lineariteit te overwinnen, heb je meestal een zeer gevoelig medium of een zeer intense lichtbron nodig, zoals een laser.
Het plotseling verwijderen van de spiegel terwijl een foton reflecteert, is niet niet-lineair op de manier waarop ik er normaal over zou denken. Maar als je er even over nadenkt, is het duidelijk een niet-lineaire gebeurtenis. Deze denkrichting wordt vertroebeld door hoe we denken over enkele fotonen bij spiegels.
Laten we beginnen met het voorbeeld van een gedeeltelijk reflecterende spiegel. Wanneer een enkel foton die spiegel raakt, zal het ofwel door de spiegel gaan of ervan reflecteren. Het foton wordt geacht in een superpositietoestand te komen van zowel gereflecteerd als doorgelaten (de kansen van elk pad hangen af van hoe reflecterend de spiegel is). Als we detectoren plaatsen in het pad van de gereflecteerde en doorgelaten fotonen, wanneer er een klikt, stort het de superpositie in, en het andere potentiële pad verdwijnt. Er zijn geen omstandigheden waarin beide detectoren tegelijk klikken. We registreren niet een half foton per kant.
Naïef zouden we hetzelfde argument kunnen maken voor een volledig reflecterende spiegel die halverwege de reflectie wordt verwijderd. In dit argument komt het foton in een superpositietoestand van doorgelaten en gereflecteerd, met de kans bepaald door wanneer de spiegel werd verwijderd in vergelijking met de 'grootte' van het foton. Opnieuw, wanneer we proberen te meten welke kant het foton opging, zouden we verwachten dat de superpositie instort en slechts één detector klikt.
Toen ik erover nadacht, was het duidelijk dat dit fout was. Maar om te begrijpen waarom, hebben we wat extra theoretische bagage nodig.
Tijd en frequentie zijn twee kanten van dezelfde medaille. Als we een noot spelen op een piano, is er een tijddomeinbeeld: een regelmatige variatie in druk met de tijd die een tijdje aanhoudt. Deze noot kan worden beschreven door een enkele frequentie met een enkele amplitude (hoe luid hij is). Complexere geluiden (akkoorden, staccato noten) hebben een complexe structuur in de tijd en worden beschreven door complexere combinaties van frequenties, elk met hun eigen amplitude (fase doet er ook toe, maar we negeren dat).
Dit beeld is universeel en is van toepassing op alle tijdsvariërende signalen - en veel meer dan dat. Toen ik opgroeide op de boerderij en naar AM-radio luisterde op een ouderwetse (zelfs toen) buizenradio, werd de muziek altijd onderbroken door een klikkend geluid. Het klikken kwam van onze elektrische afrastering, die altijd een verdwaald gras, een misdragend schaap of een hitsige stier een schok gaf. Die korte, scherpe stroom genereerde een korte elektromagnetische puls (en een boze stier). De zeer korte puls (in de tijd) was aanwezig over een zeer breed spectrum, inclusief, tot mijn ergernis, de AM-uitzending.