Os fótons são considerados partículas elementares da natureza. Em outras palavras, eles não possuem estrutura interna conhecida e, portanto, não podem ser divididos em partes menores.
Mas e se fosse possível “cortar” um fóton?
Essa foi justamente a pergunta feita por três físicos teóricos da Universidade de Oslo, na Noruega, em um estudo publicado na revista Physical Review Letters, com um título bastante direto: Truncated Photon (“Fóton Truncado”).
Os pesquisadores deixam claro que não pretendem afirmar que um fóton possa ser literalmente partido ao meio. Em vez disso, eles exploram uma consequência curiosa da natureza quântica da luz, chegando a um resultado que surpreendeu até os próprios autores.
A dualidade da luz torna o experimento possível
A ideia parte de um dos conceitos mais famosos da física moderna: a dualidade onda-partícula.
Embora frequentemente imaginemos a luz como formada por partículas chamadas fótons, ela também se comporta como uma onda.
Esse fenômeno foi demonstrado no início do século XIX pelo experimento da dupla fenda, realizado pelo físico britânico Thomas Young.
Quando um feixe de luz atravessa duas pequenas aberturas, ele produz um padrão de interferência característico das ondas, mesmo sendo composto por partículas individuais.
Na mecânica quântica, essas duas descrições coexistem.
A superposição também entra na história
Outro conceito essencial é a superposição quântica.
Nesse fenômeno, um sistema pode existir simultaneamente em vários estados possíveis até que uma medição seja realizada.
O exemplo mais conhecido é o experimento mental do Gato de Schrödinger, no qual um gato pode ser considerado vivo e morto ao mesmo tempo enquanto sua condição não é observada.
Embora pareça contraintuitivo, esse comportamento faz parte da descrição matemática da mecânica quântica.
Como “cortar” um fóton sem destruí-lo
No novo estudo, os pesquisadores trataram o fóton como um pacote de ondas distribuído no espaço.
Em teoria, seria possível utilizar um obturador óptico — composto por espelhos extremamente rápidos capazes de bloquear ou liberar pulsos de luz — para interromper apenas parte dessa distribuição.
Em vez de dividir a partícula, esse processo altera o estado quântico associado ao fóton.
Segundo os cálculos, o pacote de onda passa a existir em uma superposição de modos que seguem para direções diferentes.
O resultado não foi o esperado
Os físicos utilizaram a teoria quântica de campos para calcular o que aconteceria após essa manipulação.
A expectativa intuitiva poderia ser obter dois fótons, metade de um fóton ou simplesmente um fóton acompanhado de um vazio.
Nenhuma dessas possibilidades apareceu.
Em vez disso, o sistema evoluiu para um estado extremamente complexo envolvendo diferentes números de fótons, chegando matematicamente a uma superposição com um número potencialmente infinito deles.
Segundo os autores, remover parte da onda gera uma perturbação no campo quântico capaz de extrair fótons do próprio vácuo quântico.
O vácuo quântico está longe de ser vazio
Na física clássica, o vácuo representa simplesmente a ausência de matéria.
Na mecânica quântica, porém, o vácuo é um estado repleto de flutuações energéticas que podem dar origem ao aparecimento temporário de partículas.
Segundo os pesquisadores, a manipulação do pacote de ondas do fóton provoca uma espécie de “puxão” nesse campo quântico.
Esse efeito gera uma região extremamente estreita onde surgem sucessivas superposições de fótons, formando um estado matematicamente muito mais rico do que o esperado.
Medições continuam mostrando apenas um fóton
A parte mais intrigante do estudo aparece quando os pesquisadores simulam uma medição.
Mesmo que o sistema contenha esse complexo conjunto de estados quânticos, um observador examinando separadamente cada lado da onda cortada verá praticamente o mesmo resultado de sempre.
As medições indicam apenas um fóton de um lado e vazio do outro, exceto por uma região extremamente estreita onde ocorre a transição.
Isso significa que um estado quântico extremamente complicado pode produzir exatamente as mesmas observações que um estado aparentemente simples.
Pesquisa ainda é totalmente teórica
Os próprios autores ressaltam que nenhum fóton foi realmente “cortado”.
O trabalho consiste apenas em cálculos teóricos baseados na teoria quântica de campos.
Ainda assim, eles afirmam que o experimento proposto não depende de tecnologias impossíveis e pode ser reproduzido futuramente em laboratório.
Se isso acontecer, os resultados poderão oferecer uma nova forma de investigar o comportamento dos campos quânticos e aprofundar a compreensão sobre um dos objetos mais fundamentais da física: o fóton.
