Norveçli Fizikçiler Soruyor: Bir Fotonu İkiye Bölseniz Ne Olur? Cevap Bir Gökkuşağı.

Foton, tek bir ışık parçacığıdır ve normal şartlarda bölünemez. Ancak foton aynı zamanda bir parçacık değildir, çünkü belirli bir konumu yoktur. Bunun yerine, genişletilmiş bir nesnedir.

Peki ya bir foton, mükemmel bir aynadan yansıma sürecinin sadece bir kısmını tamamlamışken aynayı aniden çekip alırsanız ne olur? Norveçli üç fizikçinin cevabı, beklediğinizden daha karmaşık çıkıyor.

Önce fotonları bölme ve birleştirme konusuna kısaca değinelim. Eğer bu günlük hayatımızda sık rastlanan bir durum olsaydı, tek renkli bir ışığı bir cam parçasından geçirmek veya bir yüzeyden yansıtmak fotonların bölünmesine veya birleşmesine neden olabilirdi. Bu da inanılmaz bir renk yelpazesine yol açardı: Evrenimiz hayal edebileceğiniz en fantastik ve yasal LSD gezisi olurdu. Ama bu genelde olmaz, işte bu yüzden LSD var.

Aslında olan şu: Fotonlar uygun koşullar altında bölünebilir ve birleşebilir - temelde, ışığın içinden geçtiği ortamın ışığa tepki olarak değişmesi gerekir. Bu, tek bir renk kaynağından bir gökkuşağı renkleri elde edilmesine yol açabilir.

Teknik olarak, çevremizde gördüğümüz ışık etkileşimlerinin doğrusal olduğunu, fotonların birleşmesi/bölünmesinin ise doğrusal olmayan bir süreç olduğunu söyleriz. Tipik olarak, bu doğrusal olmamayı aşmak için ya çok hassas bir ortama ya da lazer gibi çok yüksek yoğunluklu bir ışık kaynağına ihtiyacınız vardır.

Foton yansırken aynanın aniden kaldırılması, normalde düşündüğüm anlamda doğrusal olmayan bir durum değil. Ama biraz düşününce, bunun açıkça doğrusal olmayan bir olay olduğu görülüyor. Bu düşünce tarzı, aynalardaki tek fotonlar hakkındaki düşünme şeklimiz tarafından gizleniyor.

Kısmen yansıtıcı bir ayna örneğiyle başlayalım. Tek bir foton bu aynaya çarptığında, ya aynadan geçer ya da aynadan yansır. Fotonun, hem yansıdığı hem de geçtiği bir süperpozisyon durumuna girdiği kabul edilir (her bir yolun olasılığı aynanın ne kadar yansıtıcı olduğuna bağlıdır). Yansıyan ve iletilen fotonların yoluna dedektörler yerleştirirsek, biri tıkladığında süperpozisyon çöker ve diğer potansiyel yol kaybolur. Her iki dedektörün aynı anda tıklaması mümkün değildir. Her bir yolda yarım foton kaydetmeyiz.

Safça, aynı argümanı yansıma sırasında kaldırılan tam yansıtıcı bir ayna için de yapabiliriz. Bu argümanda, foton, aynanın ne zaman kaldırıldığına bağlı olarak belirlenen bir olasılıkla iletilmiş ve yansımış bir süperpozisyon durumuna girer. Yine, fotonun hangi yöne gittiğini ölçmeye çalıştığımızda, süperpozisyonun çökmesini ve yalnızca bir dedektörün tıklamasını bekleriz.

Düşünmek için durduğumda, bunun yanlış olduğu açıktı. Ama nedenini anlamak için biraz daha teorik bagaja ihtiyacımız var.

Zaman ve frekans aynı madalyonun iki yüzüdür. Piyanoda bir nota çaldığımızda, bir zaman alanı resmi vardır: zamanla düzenli bir basınç değişimi ve bir süre devam eder. Bu nota, tek bir frekans ve tek bir genlik (ne kadar yüksek olduğu) ile tanımlanabilir. Daha karmaşık sesler (akorlar, staccato notalar) zamanda karmaşık bir yapıya sahiptir ve her biri kendi genliğine sahip daha karmaşık frekans kombinasyonlarıyla tanımlanır (faz da önemlidir, ancak bunu görmezden geleceğiz).

Bu resim evrenseldir ve tüm zamanla değişen sinyaller için geçerlidir - ve bunların çok ötesinde de. Çiftlikte büyürken, eski moda (o zaman bile) bir tüplü radyoda AM radyo dinlerken, müzik her zaman bir tıklama sesiyle kesilirdi. Tıklama, her zaman asi bir otu, yaramaz bir koyunu veya azgın bir boğayı çarpan elektrikli çitimizden geliyordu. Bu kısa ve keskin akım, kısa bir elektromanyetik darbe (ve kızgın bir boğa) üretiyordu. Zamandaki çok kısa darbe, can sıkıcı bir şekilde AM yayınını da içeren çok geniş bir spektrumda mevcuttu.