Işığın sınırlarını zorlamak: Bir fotonu ikiye bölerseniz ne olur?

Fizikçiler, temel bir ışık parçacığı olan fotonu ortadan ikiye bölmenin kuantum matematiğini modelledi. Sonuçlar, bakılan açıya göre değişen sonsuz foton patlamaları veya tam bir hiçlik içeren şaşırtıcı bir kuantum paradoksunu ortaya koyuyor. 
 
Işığın en temel birimi olan fotonların normal şartlarda daha küçük parçalara ayrılması imkansız. Buna rağmen Oslo Üniversitesi'nde çalışmalarını yürüten  fizikçi Johannes Skaar ve ekibi, Physical Review Letters dergisinde yer alacak yeni araştırmalarında sıra dışı bir öngörüde bulundu. Modelledikleri senaryoya göre, tek bir ışık parçacığı ortadan ikiye bölünmek istendiğinde ortaya sadece bir foton daha çıkmıyor; aksine sistemden sonsuza kadar uzanabilecek miktarda yeni foton açığa çıkıyor.
 
Çalışmayı başlangıçta mantık dışı bulan Glasgow Üniversitesi fizikçilerinden Daniele Faccio, makaleyi inceledikten sonra uygulanan tekniğin doğruluğunu onayladı. Söz konusu analiz, fotonların noktasal bir parçacık olmanın yanı sıra dalga niteliğiyle yayılması gerçeğine dayanıyor. Araştırma, tek bir fotona ait dalgayı tam ortasından bölebilecek hızda bir mekanizma kurulduğunda ne olacağı sorusuna yanıt arıyor.
Bilim insanlarının kuantum denklemleriyle kurguladığı model şu aşamalardan oluşuyor:
 
* Aynaya doğru hareket eden bir foton dalgasının ön kısmı aynadan geri yansıyor.
 
* Tam bu sırada ayna ortadan yok ediliyor ve dalganın arka kısmı yoluna düz devam ediyor.
 
* Matematiksel veriler, aynanın bu şekilde devreden çıkarılmasının kuantum süperpozisyonu adı verilen ve farklı foton sayılarını barındıran karmaşık bir olasılık karışımı doğurduğunu kanıtlıyor. Aynayı sonsuz bir süratle çekmek gerçekte imkansız olsa da eğer bu başarılabilseydi yoktan sonsuz sayıda ışık parçacığı üretilmiş olacaktı. Skaar'ın aktardığına göre, ayna daha düşük hızlarda çekildiğinde de birden fazla foton kümesinin oluşma ihtimali masada kalıyor; ancak bu durumda parçacık sürülerinin sayısı daha küçük olasılıklarla gerçekleşiyor.
 
Sisteme aynanın oynatılmasıyla aktarılan enerji, yeni ışık parçacıklarının var olmasını tetikliyor. Bu durum kuantum mekaniği için yabancı bir olgu değil; çünkü fizikçiler "vakum" denilen boş uzaya müdahale edildiğinde yeni fotonların doğabileceğini zaten biliyor.
 
Çalışmanın en dikkat çekici yönü, gözlemcinin konumuna göre değişen sonuçlar ortaya koyması. Aynanın her iki tarafını da gören bir noktadan bakıldığında: Milyarlarca fotonun saçıldığı karmaşık ve büyük bir patlama izleniyor. Aynanın yalnızca tek bir tarafını gören bir noktadan bakıldığında: Karşılaşılan şey ya sadece tek bir foton ya da bütünüyle boş bir vakum oluyor. Skaar bu durumu çılgınca bulduğunu belirterek, gelecekte kuantum fiziğinde dalga özelliği gösteren elektronlar gibi diğer temel parçacıklar bölündüğünde de benzer sonuçların alınıp alınmayacağını test etmek istiyor.
 
Çalışmanın günlük hayata yönelik pratik getirileri henüz kesinleşmedi. Buna karşın Faccio, fotonların bu derin yapısını anlamanın, tıpkı yerçekimi dalgalarını saptayan düzeneklerdeki gibi, yüksek hassasiyetli ölçümler yürüten kuantum sensörlerinin geliştirilmesinde yarar sağlayabileceğini öngörüyor.