Um fóton é uma única partícula de luz e, em circunstâncias normais, não pode ser dividido. Mas um fóton também não é uma partícula, no sentido de que não tem uma localização específica. Em vez disso, é um objeto extenso.

Então, se um fóton está apenas parcialmente no processo de reflexão em um espelho perfeito e você puxa o espelho, o que acontece? A resposta, de um trio de físicos noruegueses, acaba sendo mais complexa do que você pode esperar.

Vamos primeiro falar brevemente sobre dividir e combinar fótons. Se isso fosse uma experiência comum em nossas vidas, então brilhar uma única cor de luz através de um pedaço de vidro ou refleti-la de uma superfície poderia fazer com que os fótons se dividissem ou combinassem. Isso levaria a uma incrível variedade de cores: Nosso universo seria a viagem de LSD mais fantástica e legal que você poderia imaginar. Mas isso geralmente não acontece, daí o LSD.

O que acontece é que os fótons podem se dividir e combinar sob as circunstâncias certas - essencialmente, o meio pelo qual a luz viaja tem que mudar em resposta à luz. Isso pode levar a um arco-íris de cores a partir de uma única fonte de cor.

Tecnicamente, diríamos que as interações de luz que vemos ao nosso redor são lineares, e a combinação/divisão de fótons é um processo não linear. Normalmente, para superar essa não linearidade, você precisa de um meio muito sensível ou de uma fonte de luz de altíssima intensidade, como um laser.

A remoção repentina do espelho enquanto um fóton está refletindo não é não linear da maneira que eu normalmente pensaria sobre isso. Mas se você pensar um pouco mais, é claramente um evento não linear. Essa linha de pensamento é obscurecida por como pensamos sobre fótons únicos em espelhos, no entanto.

Vamos começar com o exemplo de um espelho parcialmente refletor. Quando um único fóton atinge esse espelho, ele ou atravessa o espelho ou reflete no espelho. O fóton é considerado como entrando em um estado de superposição de ter tanto refletido quanto passado (as probabilidades de cada caminho dependendo de quão refletor é o espelho). Se colocarmos detectores no caminho dos fótons refletidos e transmitidos, quando um clica, ele colapsa a superposição, e o outro caminho potencial desaparece. Não há circunstâncias em que ambos os detectores cliquem ao mesmo tempo. Não registramos meio fóton em cada direção.

Ingenuamente, poderíamos fazer o mesmo argumento para um espelho totalmente refletor que é removido no meio da reflexão. Neste argumento, o fóton entra em um estado de superposição de transmitido e refletido, com a probabilidade determinada por quando o espelho foi removido em comparação com o "tamanho" do fóton. Novamente, quando tentamos medir para qual caminho o fóton foi, esperaríamos que a superposição colapsasse, e apenas um detector clicaria.

Quando parei para pensar sobre isso, era óbvio que isso estava errado. Mas para entender por quê, precisamos de alguma bagagem teórica extra.

Tempo e frequência são dois lados da mesma moeda. Se tocarmos uma nota em um piano, há uma imagem no domínio do tempo: uma variação regular na pressão com o tempo que continua por um bom tempo. Esta nota pode ser descrita por uma única frequência com uma única amplitude (quão alto é). Sons mais complicados (acordes, notas staccato) têm uma estrutura complicada no tempo e são descritos por combinações mais complicadas de frequências, cada uma com sua própria amplitude (a fase também importa, mas vamos ignorar isso).

Esta imagem é universal e se aplica a todos os sinais variáveis no tempo - e muito mais também. Quando eu crescia na fazenda, ouvindo rádio AM em um rádio de válvulas antiquado (mesmo para a época), a música era sempre interrompida por um som de clique. O clique era da nossa cerca elétrica, que estava sempre eletrocutando alguma grama desgarrada, uma ovelha malcomportada ou um touro excitado. Aquele pulso curto e agudo gerava um pulso eletromagnético curto (e um touro furioso). O pulso muito curto (no tempo) estava presente em um espectro muito amplo, incluindo, para meu aborrecimento, a transmissão AM.