'Una miscela da zero all'infinito': i fisici hanno scomposto un fotone e hanno ottenuto un improbabile sciame di particelle / 'A mixture from zero to infinity': Physicists split apart a photon — and ended up with an improbable swarm of particles
'Una miscela da zero all'infinito': i fisici hanno scomposto un fotone e hanno ottenuto un improbabile sciame di particelle / 'A mixture from zero to infinity': Physicists split apart a photon — and ended up with an improbable swarm of particles
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Di recente, alcuni fisici si sono chiesti cosa accadrebbe se si provasse a scindere un fotone, e hanno scoperto un comportamento inaspettato che potrebbe trasformare il nostro modo di pensare alle particelle.
L'esperimento, in cui i ricercatori hanno simulato la divisione di un fotone tramite un otturatore in diverse condizioni, ha dimostrato che un fotone diviso può dare origine ad una miscela complessa da zero ad un numero infinito di fotoni, sollevando importanti interrogativi sulla natura delle interazioni tra particelle.
I fotoni sono pacchetti elementari di luce, il che significa che non sono composti da nient'altro. Quindi, cosa significa provare a scindere un fotone? Potrebbe essere possibile grazie alla dualità onda-particella, un principio fondamentale della meccanica quantistica, la bizzarra fisica dell'infinitamente piccolo.
Secondo la dualità onda-particella, un fotone non è solo una particella, ma anche un'onda. Utilizzando calcoli teorici, i ricercatori hanno studiato cosa accadrebbe se si inviasse questo fotone attraverso un otturatore e lo si chiudesse mentre il fotone lo sta attraversando, tagliando di fatto la coda dell'onda fotonica.
"Credo che la maggior parte dei fisici si aspetterebbe che ci sia una certa probabilità di avere zero fotoni ed una certa probabilità di averne uno solo dopo aver fatto questo", ha detto a Live Science Johannes Skaar, coautore del nuovo studio e professore di fisica teorica all'Università di Oslo. "E questo è approssimativamente vero, ma non è esattamente vero."
Quali sono le probabilità?
Questo ci porta ad un altro strano aspetto della meccanica quantistica: la sua natura probabilistica. Le particelle esistono come una nuvola di probabilità che si estende all'infinito. Finché una particella non viene osservata, le sue proprietà, come la sua posizione o energia, sono in una sovrapposizione di valori possibili; tutto ciò che possiamo sapere sono le probabilità di trovarla in un determinato stato.
Attraverso i loro calcoli, Skaar ed i suoi colleghi hanno determinato come il taglio di un fotone influisca su queste probabilità. Nel loro studio, recentemente accettato dalla rivista Physical Review Letters, hanno scoperto che ciò creerebbe una complessa miscela di stati fotonici, incluso uno con un numero infinito di fotoni.
Ciascuno di questi stati ha una probabilità che dipende dalla velocità con cui l'otturatore taglia il fotone. Il numero atteso di fotoni diventa infinito solo se l'otturatore si chiude infinitamente velocemente. Per velocità dell'otturatore realistiche, anche mille fotoni sarebbero estremamente improbabili.
Può sembrare molto strano, ma i fisici quantistici non si sono scomposti. In realtà, ciò che ha sorpreso Skaar ed i suoi colleghi è stato ciò che accade se si effettuano misurazioni del fotone tagliato da prospettive diverse.
"Quando si effettua la misurazione da un lato dell'otturatore, sembrerà uno stato a singolo fotone", ha spiegato Skaar. "Dall'altro lato, sembrerà uno stato di vuoto, ovvero senza fotoni. E questo è molto strano, perché lo stato reale a livello globale è una miscela che va da zero all'infinito."
Cambiare il nostro modo di pensare alle particelle
Il fatto che queste miscele complesse possano essere trattate localmente come stati molto semplici solleva interrogativi fondamentali sulla natura delle particelle. Skaar ha affermato che stanno ancora valutando appieno la portata di queste implicazioni e che ora stanno considerando come questo processo potrebbe evolversi per altre particelle quantistiche, come gli elettroni.
Sperano che, seguendo questo filone teorico, possano sviluppare un modo più preciso per descrivere le interazioni tra particelle. Attualmente, l'allungamento infinito delle particelle implica che esse interagiscano per un tempo infinito. Questo, secondo il gruppo, pone un problema per la causalità – l' ordine di causa ed effetto – nelle interazioni tra particelle.
Secondo Skaar, questi nuovi fotoni teorici con una coda troncata non presenterebbero questo problema, il che significa che il nesso causale in un'interazione sarebbe chiaro. Ha ammesso che c'è ancora molto lavoro da fare per sviluppare la descrizione teorica di questa interazione. Tuttavia, il nuovo risultato rappresenta un passo importante verso la descrizione delle interazioni tra particelle con una chiara relazione causale, che Skaar ha definito "l'obiettivo finale" del gruppo.
ENGLISH
Physicists have found that splitting a photon would lead to a complex state that may change the way we think of particles.
Physicists recently wondered what would happen if you tried to split a photon — and they found some unexpected behavior that may transform the way we think about particles.
The experiment, in which researchers simulated a photon being sliced by a shutter under various conditions, showed that a severed photon can lead to a complex mixture of zero to infinitely-many photons — raising some big questions about the nature of particle interactions.
Photons are elementary packets of light, which means they are not made up of anything else. So what does it even mean to try splitting a photon? It may be possible thanks to wave-particle duality — a core principle of quantum mechanics, the bizarre physics of the very small.
According to wave-particle duality, a photon is not only a particle but also a wave. Using theoretical calculations, the researchers investigated what would happen if you sent this photon through a shutter and closed it while the photon was passing through, effectively cutting off the tail end of the photon wave.
"I think that most physicists would expect there to be a certain probability that you have zero photons and a certain probability that you have a single photon left after you have done this," Johannes Skaar, co-author of the new study and a professor of theoretical physics at the University of Oslo, told Live Science. "And that is approximately true, but it is not exactly true."
What are the chances?
This brings up another strange aspect of quantum mechanics: its probabilistic nature. Particles exist as a cloud of probabilities stretching to infinity. Until a particle is observed, its properties, such as its position or energy, are in a superposition of possible values; all we can know are the chances of finding it in a certain state.
Through their calculations, Skaar and his colleagues determined how cutting a photon affects these probabilities. In their study, recently accepted in the journal Physical Review Letters, they found that it would create a complex mixture of photon states, including one with an infinite number of photons.
Each of these states has a probability that depends on how quickly the shutter cuts the photon. The expected number of photons becomes infinite only if the shutter is closed infinitely quickly. For realistic shutter speeds, even a thousand photons would be extremely unlikely.
This may sound very strange, but the quantum physicists were unfazed. In fact, what surprised Skaar and his colleagues was what happens if you make measurements of the cut photon from different perspectives.
"When you measure from one side of the shutter, then it will look like a single photon state," Skaar said. "Then, on the other side, it will look like a vacuum state — that means no photons. And that is very strange because the actual state globally is this mixture from zero to infinity."
Changing how we think about particles
The fact that these complex mixtures can be treated locally as very simple states raises fundamental questions about the nature of particles. Skaar said they are still reckoning with the full extent of these implications and they are now considering how this process could play out for other quantum particles, such as electrons.
They hope that by following this theoretical thread through, they may be able to develop a neater way of describing particle interactions. Currently, particles' infinite stretching means they have been interacting for an infinite amount of time. This then poses a problem for causality — the order of cause and effect — in particle interactions, the team said.
These new theoretical photons with a cutoff tail would not have this problem, meaning the causal link in an interaction would be clear, Skaar said. He admitted that there is much more work to be done to develop the theoretical description of this interaction. However, the new result is an important step toward describing particle interactions with a clear causal relationship, which Skaar described as the team's "ultimate goal."
Commenti
Posta un commento