تساءل الفيزيائيون مؤخرًا عما يمكن أن يحدث إذا حاولت تقسيم الفوتون، وقد وجدوا بعض السلوكيات غير المتوقعة التي قد تغير طريقة تفكيرنا في الجسيمات.
وأظهرت التجربة، التي قام فيها الباحثون بمحاكاة فوتون يتم تقطيعه بواسطة مصراع في ظل ظروف مختلفة، أن الفوتون المقطوع يمكن أن يؤدي إلى خليط معقد من صفر إلى عدد لا نهائي من الفوتونات – مما يثير بعض الأسئلة الكبيرة حول طبيعة تفاعلات الجسيمات.
الفوتونات هي حزم أولية من الضوء، مما يعني أنها لا تتكون من أي شيء آخر. إذًا ماذا يعني محاولة تقسيم الفوتون؟ قد يكون ذلك ممكنًا بفضل ازدواجية الموجة والجسيم، وهو المبدأ الأساسي لعلم الفيزياء ميكانيكا الكم، الفيزياء الغريبة للأشياء الصغيرة جدًا.
وفق ازدواجية الموجة والجسيم، الفوتون ليس جسيمًا فحسب، بل موجة أيضًا. باستخدام الحسابات النظرية، قام الباحثون بالتحقيق فيما يمكن أن يحدث إذا أرسلت هذا الفوتون عبر مصراع وأغلقته أثناء مرور الفوتون، مما أدى بشكل فعال إلى قطع نهاية موجة الفوتون.
“أعتقد أن معظم الفيزيائيين يتوقعون أن يكون هناك احتمال معين بأن يكون لديك صفر فوتونات واحتمال معين أن يكون لديك فوتون واحد متبقي بعد القيام بذلك”. يوهانس سكاروقال المؤلف المشارك للدراسة الجديدة وأستاذ الفيزياء النظرية بجامعة أوسلو لموقع Live Science. “وهذا صحيح تقريبًا، لكنه ليس صحيحًا تمامًا.”
ما هي الفرص؟
وهذا يثير جانبًا غريبًا آخر لميكانيكا الكم: طبيعته الاحتمالية. توجد الجسيمات كسحابة من الاحتمالات تمتد إلى ما لا نهاية. وإلى أن تتم ملاحظة الجسيم، فإن خصائصه، مثل موقعه أو طاقته، تكون في حالة تراكب للقيم المحتملة؛ كل ما يمكننا معرفته هو فرص العثور عليه في حالة معينة.
ومن خلال حساباتهم، حدد سكار وزملاؤه كيفية تأثير قطع الفوتون على هذه الاحتمالات. في دراستهم، قبلت مؤخرا في المجلة رسائل المراجعة البدنيةووجدوا أنه سيخلق خليطًا معقدًا من حالات الفوتون، بما في ذلك حالة تحتوي على عدد لا نهائي من الفوتونات.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
ولكل حالة من هذه الحالات احتمالية تعتمد على مدى سرعة قطع المصراع للفوتون. يصبح العدد المتوقع للفوتونات لا نهائيًا فقط إذا تم إغلاق المصراع بسرعة لا نهائية. بالنسبة لسرعات الغالق الواقعية، فإن وجود ألف فوتون سيكون أمرًا مستبعدًا للغاية.
قد يبدو هذا غريبًا جدًا، لكن علماء فيزياء الكم لم يكونوا منزعجين. في الواقع، ما فاجأ سكار وزملائه هو ما يحدث إذا قمت بإجراء قياسات للفوتون المقطوع من وجهات نظر مختلفة.
صورة لطاولة بصرية مزودة بالليزر ومكعب تقسيم الشعاع، وغالبًا ما تستخدم في أبحاث الضوئيات.
(حقوق الصورة: EschCollection عبر Getty Images)
وقال سكار: “عندما تقيس من جانب واحد من المصراع، فسوف يبدو وكأنه حالة فوتون واحدة”. “بعد ذلك، على الجانب الآخر، سيبدو كحالة فراغ – وهذا يعني عدم وجود فوتونات. وهذا غريب جدًا لأن الحالة الفعلية عالميًا هي هذا الخليط من الصفر إلى اللانهاية.”
تغيير طريقة تفكيرنا في الجسيمات
إن حقيقة إمكانية معالجة هذه الخلائط المعقدة محليًا كحالات بسيطة جدًا تثير أسئلة أساسية حول طبيعة الجسيمات. وقال سكار إنهم ما زالوا يحسبون المدى الكامل لهذه الآثار، وهم الآن يفكرون في كيفية حدوث هذه العملية مع الجسيمات الكمومية الأخرى، مثل الإلكترونات.
ويأملون أنه من خلال اتباع هذا الخيط النظري، قد يتمكنون من تطوير طريقة أكثر دقة لوصف تفاعلات الجسيمات. في الوقت الحالي، يعني التمدد اللانهائي للجسيمات أنها كانت تتفاعل لفترة لا نهائية من الوقت. وهذا يطرح مشكلة السببية – ال ترتيب السبب والنتيجة – في تفاعلات الجسيمات، كما قال الفريق.
وقال سكار إن هذه الفوتونات النظرية الجديدة ذات الذيل المقطوع لن تواجه هذه المشكلة، مما يعني أن العلاقة السببية في التفاعل ستكون واضحة. واعترف بأن هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لتطوير الوصف النظري لهذا التفاعل. ومع ذلك، فإن النتيجة الجديدة هي خطوة مهمة نحو وصف تفاعلات الجسيمات بعلاقة سببية واضحة، والتي وصفها سكار بأنها “الهدف النهائي” للفريق.
إقرأ المزيد
