Φυσικοί παρατηρούν τη γέννεση, τη ζωή και το θάνατο ενός φωτονίου

Πηγή: Physics Web, 14 Μαρτίου 2007

Φυσικοί στη Γαλλία για πρώτη φορά παρατήρησαν ανεξάρτητα φωτόνια να εμφανίζονται αυθόρμητα, να ζουν πολύ λίγο και να εξαφανίζονται έπειτα μέσα σε λεπτό αέριο. Στο πείραμα αυτό επιτεύχθηκε η παρουσία ενός φωτονίου χωρίς την καταστροφή του. Εκτός από μια κομψή επίδειξη της κβαντομηχανικής, οι ερευνητές επίσης θεωρούν ότι αυτή η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στα κβαντικά συστήματα πληροφοριών.

Η ανίχνευση ενός φωτονίου περιλαμβάνει συνήθως την απορρόφηση του φωτονίου - και τελικά την καταστροφή του - με έναν φωτοανιχνευτή. Εντούτοις, είναι μερικές φορές δυνατό να γίνει μια μέτρηση κατά τρόπο πολύ ευγενέστερο, αφήνοντας το σύστημα λίγο πολύ στην ίδια κατάσταση, όπως αυτή μετρήθηκε. Τέτοιες μετρήσεις έχουν γίνει κοινές για μεγάλα συστήματα, σαν τα άτομα - που μπορούν να εξεταστούν με ήπιο τρόπο χρησιμοποιώντας φωτόνια. Αλλά τα φωτόνια είναι λεπτότερα από τα άτομα, γι αυτό και η διατήρηση τους είναι πολύ δύσκολη.

Ο Michel Brune της Ecole Normal Supériore στο Παρίσι μπόρεσε λοιπόν να παρατηρήσει, στο πείραμα που έκανε με τη βοήθεια ατόμων ρουβιδίου στους 0.8 Κέλβιν, ένα ανεξάρτητο φωτόνιο να προκύπτει από το κενό, να ζει μια σύντομη ζωή - λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο - και μετά να εξαφανίζεται.

Τα φωτόνια έχουν ένα ηλεκτρικό πεδίο που αλλάζει ελαφρώς τα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, δεν ήταν αρκετό για να αφήσει το άτομο να απορροφήσει την ενέργεια από το πεδίο. Όταν ένα άτομο διασταυρώνεται με το ηλεκτρικό πεδίο του φωτονίου, αυτό προκαλεί μια μικροσκοπική καθυστέρηση στα ηλεκτρόνια που είναι σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. Η καθυστέρηση αυτή είναι μετρήσιμη, χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνική με τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια, τα οποία χρησιμοποιούν την τροχιά των ηλεκτρονίων ως "εκκρεμές" για να δίνουν τον ακριβή χρόνο.

Κι ενώ αυτό το φαινόμενο είχε προβλεφτεί σχεδόν εκατό χρόνια πριν, είναι η πρώτη φορά που έχει παρατηρηθεί άμεσα.

Το 1927 ο Αλβέρτος Αϊνστάιν φαντάστηκε ένα κουτί στο οποίο το φως ήταν παγιδευμένο και ένα ανεξάρτητο φωτόνιο ελευθερώθηκε με ένα θεωρητικό πείραμα για να μετρήσει τη σχέση μεταξύ της μάζας και της ενέργειας. Πέρασαν ογδόντα χρόνια, για να δημιουργήσουν Γάλλοι  φυσικοί το κουτί του Einstein: μια συσκευή (μια κοιλότητα με τέλεια υπερ-ανακλαστικά και υπεραγώγιμα κάτοπττα) μόλις 2,7 cm² για να παγιδέψουν ένα φωτόνιο για 1/70 του δευτερολέπτου, ώστε να το ελέγξουν από τη γέννηση έως το θάνατο του. Ο χρόνος αυτός μπορεί να μην φαίνεται πολύς αλλά αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι στον ίδιο χρόνο ένα φωτόνιο θα ταξιδέψει απόσταση ίση με το 1/10 της απόστασης Γης-Σελήνης.