Ein Photon zerteilt: eine Mischung aus Null und Unendlich

Stellen Sie sich vor, Sie schneiden ein einzelnes Photon - das elementarste Lichtteilchen - mitten durch. Zurück bliebe nach klassischer Vorstellung ein halbes Photon, doch die Quantenphysik denkt anders. Tatsächlich würde ein solcher Schnitt ein rätselhaftes Gemisch aus null bis unendlich vielen Photonen erzeugen. Diese bizarre Konsequenz hat ein norwegisch-schweizerisches Forscherteam um Johannes Skaar von der Universität Oslo in einer kürzlich angenommenen Studie in Physical Review Letters theoretisch ausgearbeitet. Ihr Ergebnis wirft fundamentale Fragen zur Natur von Teilchen und zur Kausalität auf.

Die Unschärfe des Lichts

Photonen sind die Quanten des elektromagnetischen Feldes. Sie gelten als elementar, lassen sich nicht weiter in kleinere Bausteine zerlegen. Dennoch ist die Vorstellung, ein Photon zu teilen, nicht völlig absurd. Sie ergibt sich aus dem Welle-Teilchen-Dualismus, einem Kernprinzip der Quantenmechanik. Photonen verhalten sich nicht nur als punktförmige Teilchen, sondern auch als ausgedehnte Wellen. Wenn eine solche Welle einen Ort passiert, kann man sich fragen, was geschieht, wenn man sie abrupt kappt - etwa durch einen Verschluss, der sich blitzschnell schließt, während die Welle noch durchläuft.

Die meisten Physiker würden erwarten, dass nach dem Schließen des Verschlusses nur noch zwei Möglichkeiten bestehen: Entweder das Photon ist noch vollständig da, oder es ist verschwunden. „Ich denke, die meisten Physiker würden davon ausgehen, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, null Photonen zu haben, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein einzelnes Photon übrig zu haben“, erklärte Skaar gegenüber Live Science. „Und das stimmt ungefähr, aber es ist nicht exakt wahr.“

Ein Verschluss als Quantenschere

Um die genauen Folgen zu berechnen, simulierten Skaar und seine Kollegen theoretisch ein Photon, das durch einen idealen Verschluss läuft. Der Verschluss wird in dem Moment geschlossen, in dem die Photonwelle schon teilweise hindurchgetreten ist, aber noch ein Stück ihres „Schwanzes“ außerhalb liegt. Dadurch wird der hintere Teil der Welle abgeschnitten - ein Vorgang, der sich mathematisch als Manipulation des quantenmechanischen Zustands beschreiben lässt. Die Überlegungen sind rein theoretisch, da ein realer Verschluss, der die Welle innerhalb einer verschwindend kleinen Zeitspanne kappt, technisch kaum realisierbar ist. Dennoch ist das Gedankenexperiment fruchtbar.

Die Quantenmechanik arbeitet bekanntlich mit Wahrscheinlichkeitswolken. Ein Teilchen hat keinen festen Ort, sondern eine Überlagerung möglicher Zustände, die erst bei einer Messung auf einen konkreten Wert kollabieren. Die Forscher berechneten, wie sich der Zustand des Photons verändert, wenn man seine Welle abrupt abschneidet. Das Ergebnis war überraschend: Es entsteht nicht einfach ein unvollständiges Photon, sondern eine komplexe Überlagerung vieler verschiedener Photonzahlen gleichzeitig.

Null, eins oder unendlich

Der neue Zustand ist eine Mischung aus Komponenten mit null, einem, zwei, drei Photonen - theoretisch bis zu unendlich vielen. Jede Komponente trägt eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, die von der Geschwindigkeit abhängt, mit der der Verschluss schließt. „Die erwartete Anzahl von Photonen wird nur dann unendlich, wenn der Verschluss unendlich schnell schließt“, so Skaar. Bei realistischen Verschlusszeiten sei es sogar extrem unwahrscheinlich, nur tausend Photonen zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ist alles andere als trivial: Sie enthält eine endliche Chance für Vakuum, für ein Photon, für zwei und so weiter, wobei die Wahrscheinlichkeiten mit wachsender Photonenzahl extrem schnell abnehmen - sofern der Verschluss nicht unendlich schnell arbeitet.

Dennoch ist allein die Möglichkeit einer unendlichen Photonenzahl bemerkenswert. Ein einzelnes Lichtteilchen, das durch bloßes Abschneiden in einen Schwarm von Teilchen umschlagen kann, widerspricht der Alltagserfahrung fundamental. Es erinnert daran, dass Quantenobjekte keine festen Entitäten sind, sondern flüchtige Manifestationen eines zugrundeliegenden Feldes, dessen Eigenschaften durch Randbedingungen und Messungen geformt werden.

Die zwei Gesichter des Experiments

Das eigentlich Erstaunliche offenbart sich jedoch, wenn man das Experiment von verschiedenen Seiten aus beobachtet. Misst man das Licht hinter dem Verschluss, also auf der Seite, auf die die Welle ursprünglich zulief, so erscheint das Ergebnis als einfacher Ein-Photon-Zustand. Schaut man dagegen auf die andere Seite, wo der abgeschnittene Schwanz der Welle liegen müsste, zeigt sich ein Vakuum - gar kein Photon. „Das ist sehr seltsam, denn der tatsächliche Zustand ist global diese Mischung aus null bis unendlich“, betonte Skaar.

Die lokale Einfachheit steht in krassem Gegensatz zur globalen Komplexität. Das System verhält sich so, als würde es seine bizarre Überlagerung je nach Beobachterperspektive verbergen. Dieses Verhalten rüttelt an der Vorstellung, ein Teilchen sei ein wohldefiniertes Objekt mit einer festen Anzahl von Quanten. Stattdessen könnte die Photonenzahl in einem fundamentalen Sinn erst durch die Messung und deren Kontext festgelegt werden. Ähnliche Relativierungen kennt man aus der Verschränkung, wo Messungen an einem Partner augenblicklich die Eigenschaften des anderen zu verändern scheinen - die Wirklichkeit eines Teilchens wird so zu einer Frage des Blickwinkels.

Kausalität ohne ewige Verwicklung

Für Skaar und sein Team ist das abgeschnittene Photon aber mehr als eine Kuriosität. Es könnte einen Weg zu einer saubereren Beschreibung von Teilchenwechselwirkungen weisen. In der herkömmlichen Quantenfeldtheorie haben Teilchen keine scharfen Grenzen; ihre Wellenpakete erstrecken sich im Prinzip ins Unendliche. Das führt dazu, dass Teilchen schon unendlich lange miteinander wechselwirken, bevor sie zur eigentlichen Reaktion zusammentreffen. Diese unendlichen Vorgeschichten machen es schwer, eine klare Abfolge von Ursache und Wirkung zu definieren - ein Problem, das die Fundamente der Physik betrifft.

„Unser ultimatives Ziel ist es, Teilchenwechselwirkungen mit einer klaren kausalen Beziehung zu beschreiben“, sagte Skaar. Ein Photon mit einem abrupt abgeschnittenen Wellenschwanz leidet nicht unter diesem Problem: Es hat eine definierte räumliche und zeitliche Ausdehnung, die Wechselwirkung beginnt erst beim Schnitt. So könnte die Kausalität gerettet werden. Noch steht die Arbeit am Anfang, und die Übertragung auf andere Teilchen wie Elektronen ist keineswegs trivial. Doch die Publikation in Physical Review Letters markiert einen wichtigen Schritt. Sollte es gelingen, eine konsistente Beschreibung ohne unendliche Verwicklungen zu formulieren, könnte daraus ein neues Bild der fundamentalen Wechselwirkungen entstehen. Vielleicht wird ausgerechnet das abgeschnittene Photon der Schlüssel, um die Verstrickungen der Quantenwelt zu entwirren.

Quellen:

• ‚A mixture from zero to infinity‘: Physicists split apart a photon - and ended up with an improbable swarm of particles (Live Science)
• Light slows down carbon nanotubes in water (Nature - News)
• Quantum hyperdimensional computing can work 500 times faster than other methods (Phys.org)
• Quantum computer quickly mines cryptocurrency while using less energy (New Scientist)
• A new way to control tiny quantum light sources by twisting atomically thin layers of hexagonal boron nitride (Phys.org)
• Circular polarization could cut laser backscatter in fusion experiments (Phys.org)

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Kinetyra