Foton to pojedyncza cząstka światła i w normalnych warunkach nie można go podzielić. Ale foton to także nie cząstka w tym sensie, że nie ma określonego położenia. Zamiast tego jest obiektem rozciągłym.

Co więc się stanie, jeśli foton jest tylko częściowo w trakcie odbicia od idealnego lustra, a ty nagle zabierasz lustro? Odpowiedź, od trzech norweskich fizyków, okazuje się bardziej złożona, niż można by się spodziewać.

Porozmawiajmy najpierw krótko o dzieleniu i łączeniu fotonów. Gdyby było to powszechne doświadczenie w naszym życiu, to świecenie pojedynczym kolorem światła przez kawałek szkła lub odbijanie go od powierzchni mogłoby powodować dzielenie się lub łączenie fotonów. Prowadziłoby to do niesamowitej gamy kolorów: nasz wszechświat byłby najbardziej fantastyczną i legalną podróżą na LSD, jaką możesz sobie wyobrazić. Ale to się na ogół nie zdarza, stąd LSD.

Co się zdarza, to fakt, że fotony mogą się dzielić i łączyć w odpowiednich warunkach – zasadniczo ośrodek, przez który światło podróżuje, musi zmieniać się w odpowiedzi na światło. Może to prowadzić do tęczy kolorów z pojedynczego źródła koloru.

Technicznie rzecz biorąc, powiedzielibyśmy, że interakcje światła, które widzimy wokół nas, są liniowe, a łączenie/dzielenie fotonów to proces nieliniowy. Zazwyczaj, aby przezwyciężyć tę nieliniowość, potrzebujesz albo bardzo czułego ośrodka, albo źródła światła o bardzo wysokiej intensywności, jak laser.

Nagłe usunięcie lustra podczas odbicia fotonu nie jest nieliniowe w sposób, w jaki normalnie bym o tym myślał. Ale jeśli pomyślisz o tym dłużej, jest to wyraźnie zdarzenie nieliniowe. Ten tok myślenia jest jednak zaciemniony przez to, jak myślimy o pojedynczych fotonach przy lustrach.

Zacznijmy od przykładu częściowo odbijającego lustra. Gdy pojedynczy foton uderza w to lustro, albo przejdzie przez lustro, albo odbije się od niego. Foton uważa się za wchodzący w stan superpozycji, w którym zarówno się odbił, jak i przeszedł (prawdopodobieństwa każdej ścieżki zależą od tego, jak odbijające jest lustro). Jeśli umieścimy detektory na drodze odbitego i przepuszczonego fotonu, gdy jeden z nich kliknie, załamuje superpozycję, a druga potencjalna ścieżka znika. Nie ma okoliczności, w których oba detektory klikną jednocześnie. Nie rejestrujemy połowy fotonu w każdą stronę.

Naiwnie moglibyśmy postawić ten sam argument dla w pełni odbijającego lustra, które jest usuwane w połowie odbicia. W tym argumencie foton wchodzi w stan superpozycji przepuszczonego i odbitego, z prawdopodobieństwem określonym przez moment usunięcia lustra w stosunku do „rozmiaru” fotonu. Ponownie, gdy próbujemy zmierzyć, którędy poszedł foton, spodziewalibyśmy się załamania superpozycji i tylko jeden detektor by kliknął.

Kiedy się nad tym zastanowiłem, było oczywiste, że to jest błędne. Ale aby zrozumieć dlaczego, potrzebujemy dodatkowego teoretycznego bagażu.

Czas i częstotliwość to dwie strony tego samego medalu. Jeśli zagrasz nutę na pianinie, istnieje obraz w dziedzinie czasu: regularna zmiana ciśnienia w czasie, która trwa przez chwilę. Ta nuta może być opisana przez pojedynczą częstotliwość z pojedynczą amplitudą (jak głośna jest). Bardziej skomplikowane dźwięki (akordy, nuty staccato) mają skomplikowaną strukturę w czasie i są opisane przez bardziej skomplikowane kombinacje częstotliwości, każda z własną amplitudą (faza też ma znaczenie, ale to zignorujemy).

Ten obraz jest uniwersalny i dotyczy wszystkich sygnałów zmiennych w czasie – i o wiele więcej. Kiedy dorastałem na farmie, słuchając radia AM w staromodnym (nawet wtedy) radioodbiorniku lampowym, muzyka była zawsze przerywana przez klikający dźwięk. Kliknięcie pochodziło z naszego elektrycznego pastucha, który zawsze raził jakieś zbłąkane źdźbło trawy, niegrzeczną owcę lub napalonego byka. Ten krótki, ostry impuls generował krótki impuls elektromagnetyczny (i wściekłego byka). Bardzo krótki impuls (w czasie) był obecny w bardzo szerokim spektrum, w tym, ku mojemu utrapieniu, w paśmie AM.