Kan et foton deles i to? Svaret er ganske sprøtt, viser en ny norsk studie

Alt lys og all stråling rundt oss består av fotoner. Elementærpartikler som ikke kan deles i to. Eller kan de det?

Tre forskere ved Universitetet i Oslo stilte seg et ganske grunnleggende spørsmål: Hva skjer om vi prøver å kutte av halen til et foton?

Svaret er ganske sprøtt.

Det kan nemlig oppstå alt fra null til en hel haug av nye fotoner.

Tror fysikere vil bli overrasket

Studien, som er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Physical Review Letters, er teoretisk. Men forskerne har utført et matematisk tankeeksperiment.

I eksperimentet sender de et foton mot et speil i et vakuum. Siden fotoner oppfører seg som både bølger og partikler, går det an å se dem for seg som bølger med en viss lengde. 

Så fjerner de speilet midt i bølgen. Det blir som å prøve å kutte det i to.

Resultatet har ingen vist før. Johannes Skaar tror de fleste fysikere vil bli overrasket.

– Jeg tror mange fysikere vil si at man får en miks av null og ett foton, sier Johannes Skaar. Han er professor i fysikk ved Universitetet i Oslo og er en av forskerne bak studien.

Men det stemte ikke. Istedenfor kan du se for deg en blanding av mange ulike tilstander, som for eksempel null, ett, ti eller tusen fotoner.

− Spennende at de stiller et så enkelt spørsmål

Allikevel må du vite hvor du skal lete for å oppdage denne rare effekten, ifølge den nye studien.

På hver side av speilet vil resultatet nemlig se enklere ut. Om du måler der, vil det se ut som enten null eller ett foton.

Men dette skjuler sannheten om hva som skjer akkurat der speilet var.

– I midten er det kaos. Det er kanskje det rareste og det kuleste, sier Skaar.

Professor i fysikk ved NTNU Asle Sudbø synes det er en stilig studie.

– Jeg synes det er litt spennende at de stiller et så enkelt spørsmål, og så blir det såpass mye ikke-trivielt ut av det, sier Sudbø.

Vakuum er ikke helt tomt

Men hvordan kan det oppstå en haug av fotoner når du starter med bare ett?

Det er egentlig ikke så rart, ifølge Skaar.

For å forstå hva som skjer, må du godta at vakuum ikke er tomt. Istedenfor kan du se for deg at det er som små krusninger på en sjø.

Det er dette fysikere kaller kvantefelt. Disse feltene er der hele tiden. Og elementærpartiklene som verden er laget av, ligner mer på bølger på den alltid tilstedeværende sjøen enn på små biljardkuler.

Så hva skjer når speilet i eksperimentet tas bort? Jo, da sprøytes ny energi inn i det lukkede systemet.

Og det er denne energien som skaper fotonene i vakuumet, forklarer Skaar.

– Du kan se for deg at vakuum er en sjø med forstyrrelser, og så er det dette tidsavhengige speilet som får det til å bli ordentlige fotoner, sier UiO-professoren.

Fotonene ville ha oppstått uansett

Men ikke bare det.

Både Skaar og Sudbø påpeker at man faktisk ikke er avhengig av å sende inn et foton for å skape disse nye fotonene.

Selv i et vakuum ville man kunne lage fotoner ved å fjerne speilet veldig raskt.

Noe av det spesielle med fotoner er nemlig at de ikke har noen masse, påpeker Sudbø. De har bare energi.

– Du må dumpe energi inn i systemet for å fjerne speilet. Og da lager du fotoner ut av et vakuum, sier Sudbø.

I studien refererer forskerne til et kjent fenomen som kalles Casimir-effekten. Den viser at kvantefysiske effekter kan påvirke objekter i et vakuum, ifølge Store norske leksikon.

Kan bli viktig for kvanteteknologi

Men selv om noe lignende kunne ha oppstått i et vakuum, er det viktig å finne ut at det faktisk er dette som blir resultatet når du prøver å kutte halen til et foton, påpeker Sudbø.

Stadig flere teknologier utnytter kvanteeffektene til fotoner. To eksempler er kvantesensorer og kvantekommunikasjon.

– Det disse forfatterne har oppdaget, er egentlig en ny regel for hvordan fotonene oppfører seg når du manipulerer dem raskt. Og den nye regelen må man ta hensyn til når man skal designe sånne kvanteoptiske maskiner, sier Sudbø.

Kan bli vanskelig å gjennomføre

Samtidig påpeker Sudbø at eksperimentet må gjentas i virkeligheten. Han tror det blir vanskelig å få til.

I den nye studien viser også UiO-forskerne noe som har lite med virkeligheten å gjøre, påpeker han. Hvis speilet fjernes uendelig fort, viser nemlig tankeeksperimentet at det kan dannes opptil uendelig mange fotoner.

Skaar er enig i at det aldri vil oppstå uendelig mange fotoner. 

– Det forventede antallet fotoner som produseres, er endelig. Og det blir bare veldig stort hvis speilet er ekstremt kjapt, sier Skaar.

Han er derimot uenig i at eksperimentet vil være veldig vanskelig å gjennomføre.

– Å kutte av halen kan faktisk være lett, så lenge fotonet er langt. Derimot å måle hva man ender opp med, er utfordrende, sier UiO-professoren.

Stusset over funnene underveis

Men selv om den nye studien bare er et tankeeksperiment, var den ikke lett å gjennomføre.

Johannes Skaar hadde grublet på problemet i to år før masterstudent Isak Cecil Onsager Rukan ble med. Og selv etter masteroppgaven var de ikke i mål.

Underveis stusset Skaar, Rukan og forsker Jan Gulla over mye av det de fant. Så, etter et halvt år til, kom de i mål.

– Jeg ble jo overrasket underveis, men ikke over resultatet da det kom, sier Skaar.

Kilde:

I.C.O. Rukan mfl.: Truncated Photon, Physical Review Letters, juli 2026.

Mystiske spøkelsespartikler strømmer gjennom kroppen din: Nå vet vi mer om hvor de kommer fra

Slik har du aldri sett sola før

Opptatt av naturvitenskap og verdensrommet?

Ikke bli et fossil, hold deg oppdatert på dyr, planter, verdensrommet og mye mer mellom himmel og jord med nyhetsbrev fra forskning.no.

Meld meg på