Po definiciji, elementarne čestice ne mogu se razložiti na manje dijelove. Međutim, u novoj teorijskoj studiji objavljenoj u stručnom časopisu Physical Review Letters, istraživač Johannes Skar i njegove kolege otkrili su šta bi se dogodilo kada biste to ipak pokušali učiniti s jednim fotonom. Odgovor je krajnje neobičan: pokušaj da se foton prereže na dva dijela ne bi proizveo dva manja fotona, već bi iz ničega stvorio beskonačan broj fotona.
Kao i svaka kvantna čestica, foton istovremeno postoji kao jedinstvena, lokalizovana čestica i kao prošireni talas rasprostranjen u prostoru. Za potrebe istraživanja, Skarov tim razmatrao je šta bi se dogodilo kada bi pojedinačni foton prošao kroz optički zatvarač, izuzetno brzo ogledalo koje se može uključivati i isključivati kako bi blokiralo dio svjetlosnog impulsa. Ako bi zatvarač bio dovoljno brz, mogao bi presresti foton usred impulsa i odsjeći dio tog proširenog talasa.
Kako bi saznali šta bi se zatim dogodilo, istraživači su primijenili kvantne jednačine koje opisuju ponašanje osnovnog elektromagnetnog polja fotona na kvantnom nivou. Preciznije, njihova analiza pratila je kako bi intervencija zatvarača promijenila kvantno stanje fotona.
Umjesto da stvori foton na jednoj strani, a vakuum na drugoj, zatvarač generiše nešto mnogo neobičnije i složenije – superpoziciju stanja koja istovremeno sadrži beskonačno mnogo fotona.
To se dešava zato što u kvantnoj mehanici prazan prostor zapravo nije potpuno prazan, već je ispunjen fluktuacijama elektromagnetnog polja. Brzim prebacivanjem zatvarača, tim istraživača otkrio je da se te fluktuacije remete, što dovodi do spontanog stvaranja novih fotona. Još važnije, kada bi se posmatrale samo regije neposredno uz mjesto na kojem je zatvarač djelovao, stanje bi izgledalo potpuno uobičajeno, ne bi se moglo razlikovati od situacije u kojoj se na jednoj strani nalazi jedan foton, a na drugoj običan vakuum.
Ovaj rezultat pruža upečatljiv primjer koliko se kvantne čestice ponašaju drugačije od objekata iz svakodnevnog života te otvara dublja pitanja o tome kako se kvantni sistemi mjere i na koji način se informacije lokalizuju u prostoru. U budućim istraživanjima, Skar i njegove kolege planiraju otići korak dalje i ispitati da li bi se ista neobična fizika mogla primijeniti i kada je uključeno više od jednog fotona ili kada se analiza proširi na druge elementarne čestice, poput elektrona.