Se for deg at du har en lampe som sender ut én lyspartikkel, ett foton, av gangen. Slike eksperimenter er gjort – og tilsynelatende er det én partikkel som kommer ut.
Da doktorgradsstipendiat Jan Gulla skulle forklare kvanteoptikk på et fellesmøte på instituttet fikk han et problem. Han ville prøve å illustrere hva som skjer i slike én-foton-lamper. Å definere hvor et slikt foton befinner seg, er ikke så lett. Hvordan tegner man egentlig en partikkel som ikke er ett «sted»? Da han begynte å diskutere dette med veilederen sin, innså de at det ikke finnes noen god forklaring på flere grunnleggende spørsmål i kvantefeltteori.
Hvor er lyspartikkelen?
Derfor stilte de seg ett av de mest grunnleggende spørsmålene i fysikk: Hvor er lyspartikkelen? Det kan virke banalt, men Gulla forteller at de få som har forsøkt å svare på dette enkle spørsmålet, har møtt på flere problemer. Ettersom svaret har få praktiske konsekvenser for annen forskning i dag, har det stort sett blitt forbigått.
– Det er litt interessant at dette problemet kommer så tett innpå spørsmål om fri vilje. Har vi kanskje ikke fri vilje? Eller er det noe galt med teorien?, sier forsker Jan Gulla.
– Å forklare hvorfor det er vanskelig å definere sted for elementærpartikler er matematisk. Hvis du har en fotball, kan du spørre hvor den er. I mer kompliserte teorier som kvantemekanikk, blir ting litt verre, men vi har etter hvert funnet ut hvordan man kan definere posisjon. I den beste teorien vi har, kvantefeltteori, er det vanskelig. Bare det å definere hva som menes med at en partikkel er på et sted er komplisert og kontroversielt. Samtidig har det nok ikke vært så relevant for mye av forskningen som gjøres i dag. Så selv om slike spørsmål er veldig fundamentale så har de ikke fått så mye oppmerksomhet, forklarer han.
En liten del av virkeligheten forsvinner
Ett av problemene som oppstår, handler om energien til partikkelen. I feltteorier bruker forskerne ofte Fouriertransformen for å beskrive løsninger som funksjon av frekvens. Både positive og negative frekvenser må være med. I kvantefeltteori assosierer man frekvensen med partikkelens energi, og man tar derfor bort negative frekvenser for å sitte igjen med en gyldig grunntilstand. Problemet er at de negative frekvensene som blir borte, sterkt begrenser hva man kan beskrive i tid.
– Dette med negative frekvenser er i seg selv, selvsagt ingen ny innsikt. Dette problemet har man visst om lenge. Men når vi søkte i litteraturen etter hva som er løsningen, fant vi overraskende få svar. Det som i stedet sies, er at de negative frekvensene som blir borte, i praksis er veldig små, og at problemet derfor ikke er så viktig, sier Gulla.
Han forteller at når den negative energien blir tatt bort, forsvinner også en liten del av virkeligheten. Det klarte han ikke å akseptere.
– Det er rart at de beste modellene vi har, må gjøre en slik tilnærming. Ja, det utgjør kanskje lite å ta bort de negative frekvensene i praksis, men i prinsippet er de helt nødvendige.
Én av årsakene til at han syntes det var vanskelig å godta, var at dette problemet med én-foton-tilstander ikke gjelder alle typer lys. Hvis man gjør det samme regnestykket med laserlys, forsvinner problemet matematisk. Laserlys inneholder flere fotoner som kombinerer på en sånn måte at de negative frekvensene effektivt kommer tilbake i regnestykket.
Kan lyset eksistere før lampa blir skrudd på?
Uten negative frekvenser, kan man ikke beskrive et foton som har en start – det må ha «haler» til uendelig framtid og uendelig fortid. Med andre ord, så må fotonet ha vært til stede før lampa ble skrudd på. Det betyr at fotonet må komme ut av lampa før man bestemmer seg for å skru lampa på. Dette virker paradoksalt, for i utgangspunktet kunne man valgt å ikke skru på lampa.
– Det er litt interessant at dette problemet kommer så tett innpå spørsmål om fri vilje. Har vi kanskje ikke fri vilje? Eller er det noe galt med teorien? undrer Gulla.
Gjenoppliver Rjukan som industriby
Han understreker at det finnes forskere som har foreslått at fri vilje ikke finnes. Hvis lampa, mennesket som styrer lampa og alt i universet alle har slike uendelige haler, så oppstår det ikke noe paradoks. Det kan være én løsning på fraværet av negative frekvenser. En slik forklaring betyr at valget om å skru på lampa allerede må ha vært tatt lenge før, og at følelsen av at man velger fritt i realiteten bare er en illusjon. Selv heller Gulla mot en annen forklaring.
Lyspartiklene må være mer enn én
– Det er enklest å gi opp fri vilje, men det finnes kanskje en annen utvei. Vi vet at laserlys ikke har dette problemet. Laserlys er derimot veldig forskjellig fra ett foton og kan derfor ikke forklare hva som skjer i én-foton-eksperimenter. Hva om det finnes en annen type tilstand: En tilstand som har disse egenskapene til laserlys, men som ligner på ett enkelt foton? Dette var ikke kjent fra før, men vi fant det, sier Gulla.
Med andre ord: Gulla har funnet en ny type lys. Dette lyset er veldig nært ett foton, men inneholder små mengder høyere fotontall. Disse ekstra fotonene vil være så svake at man i praksis ikke ser de i eksperimenter i dag, men de er der.
– Den nye typen lys kan være ekstremt nær ett foton, men likevel gjør den lille forskjellen at problemet med negative frekvenser forsvinner fullstendig. Det er veldig interessant at det er mulig, sier han.
Denne løsningen gjorde det også mulig å finne ut av problemene med å definere «sted» for partikler i kvantefeltteori. Ett foton kan ikke sies å være på et sted på grunn av problemene med negative frekvenser, men slike andre tilstander kan det.
Kan få stor betydning for kvanteteknologien
– Teknologisk har det liten betydning i dag. Jeg antar at det kan gå 20 til 50 år før dette blir relevant, sier Gulla. Men jo raskere kvanteinternettet blir, og jo mer informasjon man sender per sekund, dess mer har dette å si.
Ifølge ham er årsaken at når man vil sende mer informasjon per sekund må man gjøre varigheten på pulsene kortere. Og jo kortere varighet en puls har, dess mer negative frekvenser må den ha, og dess større blir problemet. Med andre ord vil teknologi som er mer nøyaktig, og raskere, være mer avhengig av å vite «stedet» partikkelen befinner seg.
– Med dagens teknologi blir resultatet kanskje 0,001 prosent feil. Dersom vi får mer presis kvanteteknologi i fremtiden, blir det kanskje 30 prosent feil. Da begynner det å ha noe å si, sier han.
Selv om Gulla har forsket på lys, er det gode grunner til å tro at resultatet vil gjelde for mange av fundamentalpartiklene.
– De direkte anvendelsene er nok mulige, om noe frem i tid. Men som all grunnforskning må man vel forvente at de største anvendelsene er vanskelige å forutse – det vil nok ikke være noe vi kan se for oss nå.
Artikkelen ble først publisert på Titan.uio.no.
Må barna våre kjøpe flaskevann?
