Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Επιστήμονες επιχείρησαν να διχοτομήσουν ένα φωτόνιο, αμφισβητώντας την πεποίθηση ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω.
- Αντί για δύο μικρότερα φωτόνια, η θεωρητική διάσπαση οδήγησε στη δημιουργία πολλών περισσότερων – ίσως και άπειρων- φωτονίων, φαινομενικά από το πουθενά.
- Το φαινόμενο αποδίδεται στην παρέμβαση με τις ηλεκτρομαγνητικές διακυμάνσεις του κενού χώρου, αναδεικνύοντας την παραδοξότητα του κβαντικού κόσμου.
Τι θα συνέβαινε αν προσπαθούσατε να σπάσετε ένα στοιχειώδες σωματίδιο —ειδικά ένα σωματίδιο-φορέα δύναμης όπως το φωτόνιο, το οποίο μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη— σε μικρότερα κομμάτια;
Σύμφωνα με μελέτη του φυσικού Johannes Skaar που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, υποστηρίζεται ότι θα συνέβαινε κάτι παράξενο αν επιχειρούνταν η διάσπαση θεμελιωδών δομικών λίθων της ύλης, παρά την καθιερωμένη φυσική αντίληψη ότι αυτό δεν είναι δυνατόν. Η έρευνα αμφισβητεί την πεποίθηση ότι τα σωματίδια αυτά δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω.
Με βάση τα ευρήματα της ομάδας, η προσπάθεια διάσπασης ενός φωτονίου σε δύο μισά δεν θα δημιουργούσε απλώς δύο μικρότερα φωτόνια, αλλά θα μπορούσε δυνητικά να οδηγήσει στη δημιουργία πολλών περισσότερων—ίσως και άπειρων—φωτονίων, φαινομενικά από το πουθενά.
Διάσπαση Στοιχειωδών Σωματιδίων
Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα μικρότερα κομμάτια ύλης που συνθέτουν το σύμπαν μας και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα σωματίδια ύλης (τα οποία οι επιστήμονες ονομάζουν φερμιόνια), στα οποία περιλαμβάνονται οι διάφορες μορφές των κουάρκ και των λεπτονίων, και τους φορείς δυνάμεων (μποζόνια), όπως τα γλοιόνια, το αινιγματικό μποζόνιο Χιγκς, τα μποζόνια W και Z και, φυσικά, τα φωτόνια.
Δεδομένου ότι αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια υπάρχουν τόσο ως μεμονωμένα σωματίδια όσο και ως κύματα, θεωρούνταν ανέκαθεν ότι η διάσπασή τους είναι αδύνατη. Αυτό ώθησε τον Σκάαρ (Skaar) και την ομάδα του να θέσουν ένα μοναδικό ερώτημα: ακόμα και αν φαίνεται αδύνατο, τι θα μπορούσε να συμβεί αν κάποιος προσπαθούσε να κόψει ένα στοιχειώδες σωματίδιο στη μέση και το πετύχαινε;
Για να βοηθήσουν στην οπτικοποίηση της απάντησης σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές βασίστηκαν στην υπόθεση ότι ένα φωτόνιο διέρχεται μέσα από ένα είδος οπτικού κλείστρου (shutter) που περιλαμβάνει ένα σύστημα κατόπτρων, το οποίο ενεργοποιείται και απενεργοποιείται με ακραίες ταχύτητες, επιτρέποντάς του έτσι να μπλοκάρει μόνο ένα μέρος από έναν μεμονωμένο παλμό φωτός.
Θεωρητικά, αν το σύστημα παλλόμενων κατόπτρων μπορούσε να λειτουργήσει με αρκετά υψηλές ταχύτητες, θα μπορούσε να «πιάσει» ένα μεμονωμένο φωτόνιο στη μέση του παλμού του, κόβοντας έτσι ένα τμήμα του εκτεταμένου κύματος του σωματιδίου. Λογικά, στη συνέχεια αναρωτήθηκαν τι θα συνέβαινε μετά.
Μια βαθιά βουτιά στο άπειρο
Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα οδήγησε τον Σκάαρ και τους συνεργάτες του στο πεδίο της άπειρης υπέρθεσης. Εφαρμόζοντας κβαντικές εξισώσεις που αντιστοιχούν στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο σχετίζεται με το φωτόνιο, καθώς και στον τρόπο με τον οποίο αυτό συμπεριφέρεται σε κβαντικό επίπεδο, οι ερευνητές ήταν σε θέση να εκτιμήσουν την απόκριση της κβαντικής κατάστασης του φωτονίου κατά την οριακή συνάντησή του με το ταχύτατα εναλλασσόμενο κλείστρο.
Τότε τα πράγματα έγιναν πραγματικά παράξενα. Αντί το φωτόνιο απλώς να κοπεί στη μέση, το αποτέλεσμα ήταν μια υπέρθεση διαφορετικών καταστάσεων—κάθε μία από τις οποίες περιείχε έναν άπειρο αριθμό φωτονίων ταυτόχρονα.
Για να εξηγηθεί ο λόγος που συνέβη αυτό, απαιτείται μια ματιά σε μία από τις πολλές ασυνήθιστες και φαινομενικά αντιφατικές πτυχές της κβαντικής μηχανικής. Συγκεκριμένα, η κβαντομηχανική μάς διδάσκει ότι ο κενός χώρος κρύβει πολύ περισσότερα από το τίποτα που αντιλαμβανόμαστε: μέσα σε αυτά τα κενά υπάρχει μια συνεχής σειρά ηλεκτρομαγνητικών διακυμάνσεων.
Κατά συνέπεια, καθώς το κάτοπτρο του κλείστρου ανοιγοκλείνει ταχύτατα, παρεμβαίνει σε αυτές τις φυσικές, αόρατες διακυμάνσεις, γεγονός που δημιουργεί εντελώς νέα φωτόνια. «Το αποτέλεσμα δεν είναι ούτε ένα άλλο φωτόνιο ούτε ένα μείγμα φωτονίου και κενού», γράφουν ο Σκάαρ και οι συνεργάτες του. «Αντίθετα, είναι μια υπέρθεση και ένα μείγμα αριθμού φωτονίων που φτάνει μέχρι το άπειρο».
Παρά το παράξενο αυτό φαινόμενο, μια απλή παρατήρηση στις περιοχές εκατέρωθεν της θέσης λειτουργίας του κλείστρου δεν θα αποκάλυπτε τίποτα το ασυνήθιστο, τουλάχιστον επιφανειακά. Δηλαδή, τίποτα άλλο εκτός από ένα μεμονωμένο φωτόνιο στο ένα άκρο και αυτό που θα φαινόταν ως το απόλυτο κενό στο άλλο.
«Αυτή η κατάσταση είναι μάλλον περίπλοκη», σημειώνουν ο Σκάαρ και οι συνεργάτες του, «αλλά παρ’ όλα αυτά είναι τοπικά ισοδύναμη με ένα μεμονωμένο φωτόνιο ή με κενό, στα αριστερά και στα δεξιά αντίστοιχα, μιας στενής περιοχής μετάβασης».
Η παραδοξότητα του Κβαντικού Κόσμου
Για τον Σκάαρ και την ομάδα του, τα πειραματικά αποτελέσματα της έρευνάς τους προσφέρουν μια μοναδική ματιά στο πόσο διαφορετικά συμπεριφέρεται ο κβαντικός κόσμος σε σύγκριση με τις καθημερινές μας εμπειρίες, όπου ισχύουν οι σταθεροί, νευτώνειοι νόμοι της φυσικής.
Σε ένα πιο θεμελιώδες επίπεδο, η νέα έρευνα αναδεικνύει επίσης πιο ενδιαφέροντα ερωτήματα, όπως το πώς περιέχεται η πληροφορία μέσα σε έναν χώρο, αλλά και σχετικά με τη μέτρηση των κβαντικών συστημάτων.
Στο μέλλον, η ομάδα ελπίζει να εξετάσει παρόμοιες συνθήκες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ασυνήθιστα φαινόμενα φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του αποτελέσματος που θα είχε ένα αντίστοιχο σύστημα στο οποίο θα συμμετείχαν περισσότερα από ένα φωτόνια.