قام الفيزيائيون بحساب ما سيحدث عندما يحاولون تقسيم الفوتون

في الأساطير اليونانية، عندما تم قطع رأس واحد من Lernaean Hydra، نما رأسان جديدان في مكانه. الفوتونات، كما أظهرت الحسابات، لها نفس القدرة، فمحاولات قطع جسيم من الضوء تولد عددًا لا حصر له من الجسيمات الجديدة.

يمكن تقسيم بعض الجسيمات الأولية، مثل البروتونات، إلى كواركات. إذن هذا كل شيء: الكوارك من حيث المبدأ غير قابل للتجزئة. ماذا عن الفوتون؟ وقد تم فحصه، حتى الآن رياضيًا فقط، من قبل علماء الفيزياء النظرية من جامعة أوسلو.

الضوء، كما نتذكر، هو موجة وجسيم في نفس الوقت. لذلك، لا يمكن تصور الفوتون كنقطة طيران، فهو يمتلك “ذيلاً” يمتد في الفضاء. وقام مؤلفو الدراسة بمحاكاة ما يمكن أن يحدث إذا تم قطع هذا الذيل بمصراع سريع للغاية. وقد تم قبول النتائج للنشر في رسائل المراجعة البدنية.

وباستخدام المعادلات الكمومية للمجال الكهرومغناطيسي، وجد الباحثون أن هذا القطع ينتج حالة كمية من الضوء عبارة عن خليط (أو تراكب) لعدد لا نهائي من الفوتونات. وذلك لأنه على المستوى الكمي، المساحة الفارغة ليست فارغة على الإطلاق – فهي مليئة بالمجالات الكمومية (بما في ذلك المجالات الكهرومغناطيسية)، والتي لها تقلبات صغيرة ويمكن تحفيزها لتكوين جسيمات. فالمرآة التي “تقطع” الفوتون تؤدي إلى مثل هذه العملية.

يوضح البروفيسور صامويل براونستاين من جامعة يورك: “كلما قمنا بتغيير حالة المرآة أو الغالق بسرعة، فإننا “نحرك” الفراغ ونخلق فوتونات من لا شيء”.

ستظهر أي قياسات محلية أن حالة التراكب هذه لا يمكن تمييزها عن فوتون واحد على أحد جانبي المرآة وعن الفراغ الفارغ على الجانب الآخر. وهذا يسلط الضوء على مدى اختلاف مفهوم القياس في عالم الكم عن تجربتنا اليومية. وفقًا لبراونستين، يوضح هذا المثال كيف أنه في نظرية الكم “يمكن لجسم معقد بشكل مخيف أن يتنكر كشيء بسيط للغاية”.

لقد أكدت التجارب بالفعل أن مصراعًا سريعًا بدرجة كافية في الفضاء الفارغ ينتج فوتونات، كما يقول البروفيسور أولف ليونهارت من معهد وايزمان. ومع ذلك، قد يكون الاختبار التجريبي لفكرة جديدة أكثر صعوبة من الناحية الفنية. أصبح التحكم في الضوء على فترات زمنية فائقة السرعة أمرًا واقعًا ببطء في المختبر، لكن مصراع الدراسة الجديدة لا يزال أسرع مما هو متاح اليوم. ويضيف الفيزيائي أن العمل الجديد يشير إلى الحاجة إلى مزيد من الدراسة للظواهر المرتبطة بالفراغ الكمي، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحسين – أو حتى تغيير – نظرية المجال الكمي للتفاعلات الكهرومغناطيسية.

بالإضافة إلى اهتمامهم بمسائل الموضعية في نظرية الكم، والتي قد تتعلق بأفكار أكثر جوهرية مثل طريقة عمل السببية في تجارب الجسيمات الكمومية، يخطط المؤلفون لتوسيع تحليلهم ليشمل حالة الفوتونات المتعددة في وقت واحد، وكذلك لجسيمات أخرى مثل الإلكترونات.