Dividendo un fotone in due si crea uno sciame infinito di particelle.

Per definizione, le particelle elementari non possono essere scomposte in parti più piccole. Ma in un nuovo studio teorico pubblicato su Physical Review Letters , Johannes Skaar e colleghi hanno rivelato cosa accadrebbe se si provasse comunque a farlo con un singolo fotone. La risposta è profondamente strana: tentare di dividere un fotone in due non produrrebbe due fotoni più piccoli, bensì ne creerebbe un numero infinito dal nulla.

Impossibile da tagliare a metà

Come ogni particella quantistica, un fotone esiste simultaneamente come singola particella localizzata e come onda estesa, diffusa nello spazio. Per la loro ricerca, il team di Skaar ha considerato cosa accadrebbe se un singolo fotone attraversasse un otturatore ottico, essenzialmente uno specchio molto veloce che può essere acceso e spento per bloccare parte di un impulso di luce. Se l’otturatore fosse sufficientemente veloce, potrebbe intercettare il fotone a metà dell’impulso, troncando parte di quest’onda estesa.

Per scoprire cosa sarebbe successo in seguito, i ricercatori hanno applicato equazioni quantistiche che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico del fotone a livello quantistico. Nello specifico, la loro analisi ha monitorato con precisione come lo stato quantistico del fotone sarebbe stato trasformato dall’intervento dell’otturatore.

Sovrapposizione infinita

Anziché produrre un fotone da un lato e il vuoto dall’altro, l’otturatore genera qualcosa di molto più strano e complesso: una sovrapposizione di stati contenenti infiniti fotoni simultaneamente.

Questo accade perché, nella meccanica quantistica, lo spazio vuoto non è veramente vuoto: in realtà, è pervaso da fluttuazioni del campo elettromagnetico. Azionando rapidamente l’otturatore, il team ha scoperto che queste fluttuazioni vengono perturbate e, così facendo, creano spontaneamente nuovi fotoni. Tuttavia, è fondamentale notare che, se si osservasse solo la regione immediatamente adiacente al punto di azionamento dell’otturatore, la situazione apparirebbe ingannevolmente normale: indistinguibile da un singolo fotone da un lato e da un semplice vuoto dall’altro.

Indagini quantistiche più approfondite

Il risultato offre una straordinaria dimostrazione di come le particelle quantistiche si comportino in modo diverso dagli oggetti di uso quotidiano e solleva interrogativi più profondi su come vengono misurati i sistemi quantistici e su come l’informazione viene localizzata nello spazio. Nelle loro future ricerche, Skaar e i suoi colleghi intendono spingersi oltre, esplorando se la stessa bizzarra fisica si applicherebbe anche quando sono coinvolti più fotoni, o quando l’analisi viene estesa ad altre particelle elementari, come gli elettroni.

Abstract

Una particella elementare come un fotone non può essere tagliata in due pezzi. Tuttavia deve essere possibile per troncare un fotone con un otturatore ottico. Il risultato non è né un altro fotone né una miscela di fotone e vuoto. Invece è una sovrapposizione e una miscela di numeri di fotoni fino all’infinito. Questo lo stato è piuttosto complicato, ma nondimeno localmente equivalente a un singolo fotone o al vuoto al rispettivamente a sinistra e a destra di una stretta regione di transizione.

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