誰かがチョコレートバーを半分に割ると、小さな部分が 2 つ得られます。弦を切ると、短い弦が2本現れます。しかし 光子を分割しようとするとどうなるでしょうか?
その質問はばかげているように思えます。光子は素粒子であり、自然の基本的な構成要素の 1 つです。分離できる小さなコンポーネントで構成されていません。しかし、オスロ大学の物理学者チームは、その不可能なシナリオを正確に検討することにしました。つまり、光子が宇宙を通過するときに切断できたらどうなるでしょうか? 答えは、 に掲載されました 物理的なレビューレター、期待していたものではありませんでした。 2 つの光の断片を生成する代わりに、計算により奇妙な量子混合物の出現が予測される これには、フォトンがまったく存在しないものから、潜在的に無限の多数のフォトンが含まれる可能性があります。一瞬でゼロから無限大へ。
いくつかに分けて見ていきましょう。光子とは一体何でしょうか?フォトンは光を運ぶ粒子です。私たちがランプを点灯したり、星を観察したり、携帯電話から信号を受信したりするたびに、膨大な量の光子が関与します。 しかし、量子の世界では、光子は単なる「エネルギーの球」ではなく、波のように振る舞います。 この波動と粒子の二重性は、量子力学の最も有名かつ不可解な特徴の 1 つです。 そしてまさにその波の性質こそが、ヨハネス・スカール率いる著者たちが光子を「切る」方法を想像することを可能にしたのです。
最初のステップは、単一の光子が一種の超高速ゲートを通過した場合に何が起こるかを理論的に分析することでした。私たちの日常の直観からすると、結果として光子が弱くなるか、あるいは単純に一定の確率で光子が消滅することが予想されます。しかし 量子力学には驚きが待っていました。
スカール氏のチームが場の量子論の方程式を適用したところ、「切り取られた」光子は 2 つの部分に変換されないことが発見されました。その代わりに、非常に複雑な状態の重ね合わせが現れます。 単一の光子を含むものもあれば、複数の光子を含むものもあります。そして理論的には、数学的記述には任意の多数の光子を持つ状態が含まれます。 これは、無限に多くの観測可能な光子が突然現れることを意味するものではありません。それらが大量に見つかる確率は非常に低いです。
しかし、数学的解法にこれらの状態が存在するだけで、著者自身も驚きました。重要なのは、量子の真空は実際には空ではないということです。私たちは宇宙を絶対的な無として想像しますが、現代物理学では、微視的な変動に満ちた真空について説明しています。最小限の時間間隔の間に、粒子や場が現れたり消えたりしますが、これらは常に適切に研究できるわけではありません。それで十分でない場合は、 ゲートを非常に早く閉じると、これらの真空変動が変化します。これにより、実験も変更されます。
しかし、おそらく最も当惑させる結果は別のものです。観察者がゲートの前の領域だけを見ると、通常の光子のように見えるものが見えます。後部を見ると、ただ空虚であることがわかります。しかし、 完全なシステムを分析すると、多数の可能な状態によって形成される複雑な量子混合が現れます。
あたかも同じ現実が、見る場所によってまったく異なる二つの顔を見せているかのようです。一見すると、実用性のない数学的なゲームのように見えるかもしれません。しかし、スカール氏のチームは、新たに「切り取られた」光子が原因と結果の関係をより明確に定義する理論の開発に役立つ可能性があると示唆している。 さらに、この研究は、同様のアイデアを電子などの他の基本粒子に適用した場合に何が起こるかを研究するための扉を開きます。量子の世界では、 素粒子を分割しようとすると、私たちのすべての直観によれば、そこには決して存在するはずのない多数の粒子が現れる可能性があります。
