"Zerschneiden" eines Photons erzeugt unendlich viele neue Lichtteilchen

Würde man versuchen, ein einzelnes Photon, das elementare Teilchen des Lichts, in zwei Teile zu schneiden, entstünden nicht etwa zwei kleinere Photonen. Stattdessen könnte ein unendlicher Photonenschwarm entstehen, wie eine neue Studie zeigt.

Groteske Quantenwelt

Elementarteilchen gelten eigentlich per Definition als unteilbar. Dennoch wollten der Physiker Johannes Skaar und seine Kollegen herausfinden, welche Folgen ein solcher hypothetischer Eingriff auf quantenmechanischer Ebene hätte. Im Mittelpunkt ihrer Analyse stand ein einzelnes Photon, das auf einen extrem schnell schaltbaren optischen Verschluss trifft. Dieser funktioniert ähnlich wie ein Spiegel, der innerhalb kürzester Zeit aktiviert werden kann und dadurch einen Teil eines Lichtimpulses blockiert.

In der Quantenphysik besitzt ein Photon sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Seine Wellenfunktion erstreckt sich über einen gewissen Raum. Schaltet der Verschluss schnell genug, könnte er theoretisch einen Teil dieser ausgedehnten Welle "abschneiden".


Mithilfe quantenmechanischer Modelle untersuchten die Wissenschaftler, wie sich der zugrunde liegende elektromagnetische Zustand des Photons durch einen solchen Eingriff verändert. Das Ergebnis wich deutlich von der intuitiven Erwartung ab. Statt auf einer Seite ein Photon und auf der anderen Leere zu hinterlassen, würde der Vorgang einen hochkomplexen Quantenzustand erzeugen, in dem unendlich viele Photonen gleichzeitig vorkommen.

Das Vakuum ist nicht leer

Nach Ansicht der Forscher hängt dieses Phänomen mit den Eigenschaften des Quantenvakuums zusammen. Selbst vermeintlich leerer Raum ist demnach nicht vollständig leer, sondern von ständigen Fluktuationen elektromagnetischer Felder geprägt. Das abrupte Schalten des optischen Verschlusses stört diese Fluktuationen und kann dadurch neue Photonen hervorbringen.

Dieser ungewöhnliche Zustand würde sich lokal allerdings kaum von der erwarteten Situation unterscheiden. Betrachtet man nur die Bereiche unmittelbar neben dem Verschluss, erscheint auf der einen Seite weiterhin ein einzelnes Photon und auf der anderen lediglich ein Vakuumzustand.

Die Arbeit liefert damit einen weiteren Hinweis darauf, wie stark sich Quantenobjekte von alltäglichen Vorstellungen unterscheiden. In zukünftigen Studien wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob ähnliche Effekte auch bei mehreren Photonen oder sogar bei anderen Elementarteilchen wie Elektronen auftreten könnten.

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