دانشمندان برای اولین بار تصویر یک فوتون را منتشر کردند

فوتون‌ها ذراتی هستند که به ما امکان دیدن را با چشم یا دوربین می‌دهند. هنگامی که فوتون‌ها به شبکیه چشم یا حسگرهای دوربین ما می‌رسند، اطلاعاتی درباره منبعی که آنها را ساطع کرده است، با خود حمل می‌کنند و به مغز یا دوربین‌های ما اجازه می‌دهند تصویر بسازند. بااین‌حال، چیزی که فوتون‌ها هرگز نمی‌توانند از آن عکس بگیرند، فوتون‌های دیگر است. آن هم به این دلیل که این ذرات به هیچ وجه با یکدیگر تعامل ندارند. اما اکنون فیزیکدانان توانسته‌اند تجسم و تصویر دقیق ریاضیاتی شکل یک فوتون را ثبت کنند.

«بن یوئن» (Ben Yuen)، فیزیکدان از دانشگاه بیرمنگام انگلیس، به نیواطلس درباره ثبت شکل فوتون می‌گوید که «شکل» یک فوتون را به سختی می‌توان مشخص کرد و درواقع به این معنا نیست که شکل یک جسم معمولی را نشان داده‌ایم. درعوض، شکل فوتون یک توزیع شدت (Intensity Distribution) است؛ به‌عبارت دقیق‌تر، تصویر یک فوتون نقشه‌ جایی است که می‌توانید انتظار داشته باشید فوتون را در یک نقطه خاص از زمان در آن پیدا کنید؛ مناطق روشن‌تر این نقشه نیز نشان‌دهنده شانس بیشتری برای ظاهرشدن فوتون در آنجا است.

ثبت تصویر شکل یک فوتون

بن یوئن درباره تصویر فوتون می‌گوید:

«تجسم و تصویر [شکل فوتون] همان توزیع فوتون است که مدت کوتاهی پس از گسیل‌شدن آن ثبت شده است. از آنجایی که فوتون یک ذره کوانتومی است، نمی‌توانید آن را در یک حرکت اندازه‌گیری کنید، چنین کاری آن را از بین می‌برد. بااین‌حال، اگر بخواهید اندازه‌گیری محل شناسایی فوتون را بارها تکرار کنید، یک توزیع را خواهید دید.»

به گفته بن یوئن، یکی از عجیب‌ترین چیزها درباره مکانیک کوانتومی این است که قبل از شناسایی فوتون، تمام اطلاعات و جزییات توزیع شدت فوتون را از قبل از طریق مقوله‌ای به نام «تابع موج» (Wave Function) خواهید داشت، درواقع از همین طریق محققان توانستند برای اولین بار توزیع شدت فوتون را محاسبه کنند، یا به عبارت ساده‌تری، «تصویری» از فوتون به دست آورند.

نکته جالب این پژوهش این است که اصلاً هدف اول محققان ثبت تصویری از فوتون نبوده است. آنها می‌خواستند به سؤال اساسی‌تری پاسخ دهند: فوتون‌ها واقعاً چگونه از اتم‌ها و مولکول‌ها ساطع می‌شوند و محیط آنها چه تأثیری بر این فرایند دارد؟ پیش‌ازاین فیزیکدانان فقط قادر به مدل‌سازی دقیق این فرایند در خلاء بودند که فقط شامل یک اتم یا مولکول بود. بااین‌حال، می‌دانیم که محیط می‌تواند تأثیر عمیقی بر این فرایند داشته باشد، اما هیچ نظریه‌ای نتوانسته است تمام جزئیات آن را به‌طور کامل نشان دهد.

برای دستیابی به این هدف، محققان نسخه‌ای از نظریه میدان کوانتومی که شامل یک نانوذره سیلیکونی در تعامل با فوتون‌ها بود، مطرح کردند. آنها با انجام یک سری محاسبات ریاضیاتی پیچیده توانستند این مسئله را برطرف کنند و به عنوان یک محصول جانبی، تصویری نیز از فوتون ثبت شد.

یافته‌های این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.