آزمایش ذهنی که درک ما از نور را متحول می‌کند؛ با بریدن یک فوتون چه اتفاقی می افتد؟

فوتون‌ها ذرات بنیادی نور هستند و در دنیای معمولی، غیرقابل تقسیم‌اند. اما این ذرات مانند توپ‌های بیلیارد که در یک نقطه متمرکز هستند، رفتار نمی‌کنند؛ بلکه در فضا گسترده هستند. این ویژگی باعث می‌شود سوالات جالبی درباره‌ی ماهیت آن‌ها مطرح شود.

یکی از این سوالات این است که اگر یک فوتون در حال بازتاب از یک آینه باشد و ما ناگهان آینه را برداریم، چه اتفاقی می‌افتد؟ پاسخ این سوال که توسط فیزیکدانان دانشگاه علم و فناوری نروژ (NTNU) ارائه شده، بسیار شگفت‌انگیز است.

در زندگی روزمره، نور رفتار ساده و خطی دارد؛ یعنی فوتون‌ها بدون تغییر از یک محیط عبور می‌کنند و با یکدیگر برهم‌کنش مستقیمی ندارند. اما در شرایط خاص، مثلاً درون مواد غیرخطی یا با استفاده از لیزرهای بسیار قوی، می‌توان فوتون‌ها را وادار به تقسیم یا ترکیب کرد. این پدیده‌ها، پایه‌ی بسیاری از فناوری‌های پیشرفته در اپتیک هستند.

حالا بیایید یک قدم فراتر برویم. به جای آینه‌ی نیمه‌بازتابنده، یک آینه‌ی کاملاً بازتابنده را در نظر بگیرید. حالا تصور کنید درست در لحظه‌ای که یک فوتون درحال بازتاب از این آینه است، به‌طور ناگهانی آینه را برداریم. بر اساس منطق قبلی، ممکن است انتظار داشته باشیم که فوتون وارد حالت برهم‌نهی بازتاب و عبور شود و باز هم ما فقط یک مسیر را ببینیم. اما فیزیکدانان نروژی نشان داده‌اند که اینطور نیست.

دلیل این پدیده به اصل بنیادینی در فیزیک بازمی‌گردد که می‌گوید: هر تغییری که به طور ناگهانی رخ دهد، برای تحقق خود به طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها نیاز دارد. برای درک بهتر، یک نت کوتاه و تیز روی پیانو را تصور کنید که برای تولید آن، ترکیبی از فرکانس‌های مختلف (نت‌های گوناگون) باید به صدا درآیند. این قانون در مورد امواج نور نیز صادق است و کلید درک پدیده‌ی برش فوتون محسوب می‌شود.

وقتی آینه را به طور ناگهانی برمی‌داریم، دو تغییر شدید و آنی در موج نور رخ می‌دهد: موج بازتابی فوراً به صفر می‌رسد و موج عبوری یکباره از صفر به یک مقدار مشخص می‌پرد. این دو تغییر تیز و ناگهانی، درست مانند نت کوتاه پیانو، به فرکانس‌های بیشتری نسبت به فوتون اولیه نیاز دارند. در نتیجه، فوتون اصلی که در حالت برهم‌نهی (هم بازتاب و هم عبور) قرار دارد، به دلیل همین لبه‌ی تیز، به جای یک رنگ، به یک دسته فوتون با فرکانس‌های مختلف (یعنی یک طیف رنگی کامل) تبدیل می‌شود.

به بیان خیلی ساده، قطع کردن یک فوتون، معادل ایجاد یک رنگین‌کمان کامل است. این پدیده شگفت‌انگیز نشان می‌دهد که چگونه تغییری ساده در شرایط فیزیکی می‌تواند ماهیت یک ذره‌ی بنیادی را به کلی دگرگون کند و درک ما از دنیای کوانتوم را عمیق‌تر سازد.

پدیده وصف‌شده، هرچند از نظر تئوری جذاب است، انجام آن در عمل کار بسیار دشواری است. برای انجام این آزمایش، محققان به یک منبع نور نیاز دارند که بتواند فوتون‌های تکی با رنگ بسیار خالص تولید کند. این کار باعث می‌شود فوتون‌ها در زمان پخش شوند و بتوان فوتون‌های جدیدی که در اثر برش ایجاد می‌شوند را تشخیص داد.

علاوه‌براین، آینه باید در زمانی حدود ۱۰ فمتوثانیه (یعنی ده کوادریلیونیم ثانیه، که زمانی باورنکردنی کوتاه است) برداشته شود که برای یک آینه‌ی معمولی غیرممکن است. بااین‌حال، برخی از مواد خاص مانند نیمه‌رساناها را می‌توان با استفاده از پالس‌های لیزر بسیار سریع، در مدت زمانی حدود ۳۰ تا ۱۰۰ فمتوثانیه، از حالت بازتاب به حالت عبور تغییر داد. اما مشکل اصلی این است که خودِ این پالس لیزر بسیار قوی است و تشخیص فوتون‌های جدید تولیدشده را در میان آن بسیار دشوار می‌کند.

تنها تفاوت این است که این پدیده تاکنون برای یک فوتونِ تنها و منفرد مشاهده نشده، بلکه برای دسته‌های بزرگ‌تری از فوتون‌ها دیده شده است. اما به گفته‌ی محققان، با سرعتی که علم امروز پیش می‌رود، احتمالاً ظرف یک سال آینده شاهد این آزمایش روی یک فوتونِ منفرد خواهیم بود و آن را به طور قطعی تأیید خواهیم کرد.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.