Un fotón no puede dividirse en dos; sin embargo, un estudio plantea que debe ser posible truncar un fotón con un obturador óptico. El resultado no serian dos fotones partidos a la mitad, sino algo mucho más extraño
Ilustración sobre la contraintuitiva naturaleza cuántica, entre las que se encuentra el fotón, la partícula elemental de la luz.sakkmesterke/GETTY IMAGES
De acuerdo con el modelo estándar, el universo se construye a partir de partículas elementales. Son indivisibles por definición, es decir, no contienen nada más pequeño y marcan un límite en la escala de lo diminuto. La física moderna ya identificó varias de ellas y sigue buscando otras. Entre las más conocidas está el fotón, la unidad mínima de la luz y de toda radiación electromagnética.
El fotón obedece esa misma regla: no puedes partirlo. Sin embargo, bajo condiciones específicas y aprovechando su naturaleza luminosa, sí puedes interrumpir un pulso que lo contiene. ¿Qué ocurre entonces? Un equipo de investigadores de la Universidad de Oslo decidió explorar ese escenario y terminó en un territorio extraño. Lo que queda después del “corte” no es ni otro fotón ni una mezcla de un fotón y el vacío, sino una superposición infinita de fotones. Tras la interrupción, el sistema genera más partículas, aunque localmente siga pareciendo un solo fotón.
Esta es la primera imagen de la forma de un fotón
El estudio de cómo interactúan la luz y la materia a nivel cuántico ha permitido a los físicos de la Universidad de Birmingham definirlo.
Dividir una ola por la mitad
El trabajo, publicado en Physical Review Letters, propone un experimento mental sobre el comportamiento del fotón y lo analiza con herramientas de la física cuántica. La partícula atraviesa un obturador óptico. Imagina un espejo que aparece justo a tiempo para bloquear parte de un pulso de luz. En este escenario, el espejo actúa lo bastante rápido como para interceptar al fotón a mitad del camino.
Ahora conviene hacer una prudente aclaración. Las partículas fundamentales pueden imaginarse como pequeñas unidades o “pelotitas”, pero la física moderna las interpreta como campos excitados, vibraciones mínimas de algo que permea el espacio. Un fotón, por ejemplo, es una excitación del campo electromagnético. Esta descripción ayuda a entender por qué las partículas cuánticas pueden exhibir propiedades tanto ondulatorias como corpusculares, una de las características más conocidas de la mecánica cuántica. Por tanto, al imaginar la división de un fotón es mejor pensar en la interrupción de una ola, más que un cuchillo que parte un objeto en dos.
Los investigadores analizaron el estado cuántico que queda después del corte. Aquí empieza lo raro. El espejo intercepta al fotón y luego desaparece. Esa acción perturba el campo electromagnético. La perturbación indica que retirar el espejo inyecta energía en el sistema y genera nuevas excitaciones en el campo. El resultado no es una ola más pequeña, sino algo más parecido a una tormenta.
Matemáticamente, el estado final incluye contribuciones de cero fotones, uno, dos, tres y así hasta el infinito. Al intentar cortar una partícula indivisible, el proceso crea partículas nuevas. El trabajo aclara que el fenómeno no viola ninguna ley física.
Luego ocurre algo aún más curioso. Cuando los científicos midieron el campo por regiones, las infinitas partículas se volvieron invisibles. Si observas la parte anterior al corte, el sistema se comporta como un fotón normal. Si miras la parte posterior, encuentras vacío, como si el fotón nunca hubiera pasado. El corte existió, pero el enjambre de partículas solo aparece cuando analizas el sistema completo.
El artículo no intenta hacer una declaración cosmológica ni especular sobre la estructura del universo. Esos fotones “extra” no estaban dentro del fotón original ni llegaron de otro lugar. Surgen como una consecuencia directa de manipular el campo en su nivel más básico.
Cuando los científicos manipulan fotones de esa manera tan particular, el sistema responde con comportamientos poco intuitivos. Estos resultados muestran por qué la física cuántica de campos sigue siendo uno de los mayores retos conceptuales de nuestro tiempo.
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