FOTONEN EN HUN MOMENTUM – Ruimte, Beweging en Tijd

Net als andere elementaire deeltjes, hebben ook fotondeeltjes momentum en, net als bij andere elementaire deeltjes, wordt de bewegingscomponent van dit momentum geleverd door hun golf. Maar in dit geval niet door hun golfvormige onderstroom (zoals volgens mijn verklaring van beweging bij elementaire deeltjes gebeurt), maar door de fotongolf. Het transversale momentum wordt in stand gehouden door een snelheidscomponent in de transversale richting van de golf.

Bij de productie van twee identieke fotonen met de ‘down conversie’ methode wordt niet alleen het fotondeeltje in twee gelijke fotondeeltjes gesplitst, maar wordt ook de fotongolf in twee identieke golven met beide hetzelfde momentum gesplitst. Door de manier waarop deze ‘down conversie’ plaatsvindt hebben de geproduceerde twee een-van-een-paar fotonen een aanzienlijk gemeenschappelijk transversaal momentum (zie ook hoofdstuk 19 van mijn boek). Dit heeft grote gevolgen voor hun gedrag en verklaart bijvoorbeeld veel van de aan het quantumbegrip verstrengeling (‘entanglement’) toegeschreven mysterieuze verschijnselen.

Het ‘letter experiment’

In een mooi experiment van Pittman c.s. uit 1995 wordt een (H,V) gepolariseerd fotonenpaar aangeboden aan een polariserende halfdoorlatende spiegel HS (in bijgaande figuur aangeduid met BS) met daarachter twee detectors D1 en D2. Omdat de, verder identieke, fotonen orthogonaal gepolariseerd zijn, worden ze door de polariserende HS precies verschillend behandeld en wordt er altijd één foton gereflecteerd naar detector D1 en wordt het andere foton doorgelaten naar D2.

Fig. 3-9. De opstelling van het ‘Letter experiment’ (Pittman et al., 1995), waarin steeds een (H,V) gepolariseerd fotonenpaar (aangegeven door twee kleine cirkeltjes) wordt aangeboden aan een polariserende ‘beamsplitter’ (BS).

Door middel van ‘down conversie’ (DC) wordt steeds een paar afzonderlijke fotonen geproduceerd, die in alle opzichten identiek zijn, behalve dat het ene foton horizontaal (H) en het andere foton verticaal (V) gepolariseerd is. Door een lens L1 in de route van het gereflecteerde foton wordt een in een ondoorzichtig plaatje uitgespaarde tekst TEXT (het lettermasker) via een tweede lens L2 op detector D1 geprojecteerd. D1 is een gewone puntdetector, maar D2 is een ‘scanning’ detector die met kleine stapjes zowel in de x- als de y-richting van het plaatje met de tekst kan worden verplaatst. Zo kan het hele oppervlak worden gescand. Alleen de coïncidenties (met een ’time window’ van 1.8 ns) tussen een count van D1 en een count van D2 (de detector achter het gescande oppervlak) leiden tot een count van de coïncidentie counter.

Het uitplotten volgens de x- en y-coördinaten van detector D2 van het resultaat van de coïncidentiemeting leverde heel netjes bij D2 het resultaat TEXT (in feite de naam van het instituut van de auteurs) op. Dit resultaat werd geïnterpreteerd als een duidelijk bewijs voor de verstrengeling van het fotonenpaar, dat volgens de quantumfysica als één foton beschouwd dient te worden. De positie van elk van beide fotonen afzonderlijk is onbepaald, ‘but the measurement of one particle at a certain location implies that the other must be found at a specific corresponding location’ (blz. R3429). Een mysterieuze werking op afstand dus!

Ik heb in mijn boek voor dit opmerkelijke resultaat de volgende fysische verklaring gegeven. Als een foton, dat via een bepaalde positie in de uitgespaarde TEXT door het lettermasker is gekomen, detector D1 bereikt, wordt er slechts een coïncidentie geteld, wanneer detector D2 zich op precies dezelfde (x, y)-positie bevindt. Want alleen dáár kan het partnerfoton zich bevinden. Dit wordt veroorzaakt door hun gemeenschappelijk momentum, waardoor beide identieke fotonen zich in dezelfde richting, lateraal, in het vlak loodrecht op hun longitudinale bewegingsrichting bewegen.

Het resultaat van dit experiment en van latere soortgelijke experimenten, wordt meestal beschreven als een voorbeeld van ‘2-photon ghost imaging’. Het wordt met name als spookachtig beschouwd dat je een beeld kunt krijgen door te ‘scannen’ met de andere detector dan de detector waar de afbeelding op geprojecteerd is. Ook dit wordt weer gezien als een bewijs voor de non-lokale eigenschappen van het foton.

Volgens mijn realistische fysische verklaring is het een bewijs van de krachtige werking van het gemeenschappelijk momentum van twee een-van-een-paar fotonen.