‘Uma mistura de zero ao infinito’: Físicos dividiram um fóton, e acabaram com um improvável enxame de partículas

Físicos descobriram que a divisão de um fóton levaria a um estado complexo que pode mudar a forma como pensamos sobre partículas.

Com informações de Live Science.

Recentemente, físicos se perguntaram o que aconteceria se tentássemos dividir um fóton — e descobriram um comportamento inesperado que pode transformar a maneira como pensamos sobre partículas.

O experimento, no qual os pesquisadores simularam um fóton sendo cortado por um obturador sob diversas condições, mostrou que um fóton cortado pode levar a uma mistura complexa de zero a infinitos fótons — levantando algumas questões importantes sobre a natureza das interações entre partículas.

Os fótons são pacotes elementares de luz, o que significa que não são compostos de mais nada. Então, o que significa tentar dividir um fóton? Isso pode ser possível graças à dualidade onda-partícula — um princípio fundamental da mecânica quântica , a física peculiar do muito pequeno.

De acordo com a dualidade onda-partícula , um fóton não é apenas uma partícula, mas também uma onda. Usando cálculos teóricos, os pesquisadores investigaram o que aconteceria se esse fóton fosse enviado através de um obturador e fechado enquanto o fóton estivesse passando, cortando efetivamente a cauda da onda do fóton.

“Acho que a maioria dos físicos esperaria que houvesse uma certa probabilidade de se obter zero fótons e uma certa probabilidade de se obter um único fóton após esse processo”, disse Johannes Skaar, coautor do novo estudo e professor de física teórica na Universidade de Oslo, ao Live Science. “E isso é aproximadamente verdade, mas não é exatamente verdade.”

Quais são as chances?

Isso nos leva a outro aspecto peculiar da mecânica quântica: sua natureza probabilística. As partículas existem como uma nuvem de probabilidades que se estende ao infinito. Até que uma partícula seja observada, suas propriedades, como sua posição ou energia, estão em uma superposição de valores possíveis; tudo o que podemos saber são as chances de encontrá-la em um determinado estado.

Por meio de seus cálculos, Skaar e seus colegas determinaram como o corte de um fóton afeta essas probabilidades. Em seu estudo, recentemente aceito na revista Physical Review Letters, eles descobriram que isso criaria uma mistura complexa de estados de fótons, incluindo um com um número infinito de fótons.

Cada um desses estados possui uma probabilidade que depende da rapidez com que o obturador interrompe o fóton. O número esperado de fótons torna-se infinito apenas se o obturador for fechado infinitamente rápido. Para velocidades de obturador realistas, mesmo mil fótons seriam extremamente improváveis.

Isso pode parecer muito estranho, mas os físicos quânticos não se abalaram. Na verdade, o que surpreendeu Skaar e seus colegas foi o que acontece se você fizer medições do fóton cortado a partir de diferentes perspectivas.

“Quando você mede de um lado do obturador, ele parecerá um estado de um único fóton”, disse Skaar. “Então, do outro lado, parecerá um estado de vácuo — ou seja, sem fótons. E isso é muito estranho, porque o estado real, globalmente, é essa mistura de zero ao infinito.”

Mudando a forma como pensamos sobre partículas

O fato de essas misturas complexas poderem ser tratadas localmente como estados muito simples levanta questões fundamentais sobre a natureza das partículas. Skaar afirmou que ainda estão avaliando a extensão total dessas implicações e que agora estão considerando como esse processo poderia se aplicar a outras partículas quânticas, como os elétrons.

Eles esperam que, seguindo essa linha teórica, possam desenvolver uma maneira mais precisa de descrever as interações entre partículas. Atualmente, o alongamento infinito das partículas significa que elas interagem por um período infinito de tempo. Isso, então, representa um problema para a causalidade — a ordem de causa e efeito — nas interações entre partículas, afirmou a equipe.

Esses novos fótons teóricos com uma cauda cortada não teriam esse problema, o que significa que a ligação causal em uma interação seria clara, disse Skaar. Ele admitiu que ainda há muito trabalho a ser feito para desenvolver a descrição teórica dessa interação. No entanto, o novo resultado é um passo importante para descrever interações de partículas com uma relação causal clara, o que Skaar descreveu como o “objetivo final” da equipe.

Fontes do artigo:
Cecil Onsager Rukan, I., Gulla, J., & Skaar, J. (2026). Truncated photon. Physical Review Letters. https://doi.org/10.1103/94pm-hp34