Fotony skutečně jsou

Již r. 1900 dospěl Max Planck při objasňování spektra záření dokonale černého tělesa k závěru, že světlo (a tedy veškeré elektromagnetické záření) je tvořeno z kvant energie – fotonů. Nedlouho poté využil tuto hypotézu Albert Einstein k vysvětlení fotoelektrického jevu (uvolňování elektronu z kovu ozářeného světlem). Postupně pak bylo kvantování elektromagnetického pole všeobecně přijato, není v rozporu s žádnými pozorovanými jevy a patří k základním kamenům moderní fyziky.

Přesto Serge Haroche a Jean-Michel Raimond se spolupracovníky z Ecole normale supérieure v Paříži usoudili, že jednoznačný přímý důkaz kvantování elektromagnetického pole nebyl dosud proveden. Poukazují na to, že fotoelektrický jev a další jevy lze vysvětlit i pomocí klasického (tedy spojitého) pole, pokud uvážíme, že sama odezva detektoru je kvantována. Proto na Ecole normale supérieure navrhli a uskutečnili zajímavý experiment podávající dosud nejpřímější důkaz kvantování elektromagnetického pole (Physical Review Letters 76, str. 1800, 1996).

Podstata experimentu byla velmi jednoduchá… izolovat několik fotonů a pak najít vysoce citlivý a nedestruktivní způsob detekce, který umožní tyto fotony „spočítat“, aniž by je zničil. Ke spolehlivému „uvěznění“ několika fotonů mikrovlnného záření byla zkonstruována speciální dutina (rezonátor), která je tvořena dvojicí malých sférických zrcadel vzdálených 3 cm od sebe. Zrcadla byla vyrobena (s mikrometrovou přesností) z niobia – kovu, který se po ochlazení na teplotu 0,8 K stává supravodivým – a to kvůli minimalizaci ztrát energie v dutině. Pro detekci přítomnosti fotonů v dutině posloužily skvěle atomy rubidia. Ty byly nejprve uváděny do vzbuzeného stavu a jednotlivě posílány různou rychlostí do rezonátoru. Po průchodu dutinou experimentátoři zjišťovali, jestli jsou atomy ve vzbuzeném nebo základním stavu, a vynesli si závislost pravděpodobnosti nalezení atomu ve vzbuzeném stavu na rychlosti atomu, tedy na době jeho setrvání v dutině. A to bylo vše, co potřebovali. Pokud v dutině nebyly žádné fotony, závislost měla tvar sinusoidy, což bylo způsobeno tím, jak atom spontánně přecházel do základního stavu a zase zpět vyzařováním fotonu a jeho reabsorpcí. Podobný tvar by si měla měřená závislost zachovat i v případě, že v dutině bude slabé klasické elektromagnetické pole. Pozorovaná závislost však byla složitější a bylo možné ji vysvětlit pouze existencí diskrétních kroků energie v dutině, tedy přítomností kvant elektromagnetického pole – fotonů. Z výsledků bylo též možné přesně spočítat, kolik fotonů bylo v rezonátoru.

Kdyby se vám zdálo, že je to celkem jednoduchý experiment, pak vězte, že francouzským vědcům trvalo 15 let, než dospěli ke kýženým výsledkům. Peter Knight z London Imperial College ocenil jejich experiment jako „heroický kousek experimentální fyziky“ (Science 272, str. 34, 1996).

Dokazovat fakt, o kterém nikdo nepochybuje a který byl už v podstatě dokázán – byť méně dokonale – to je, řeklo by se, jednoznačný příklad základního výzkumu motivovaného zvědavostí a touhou po vědecké dokonalosti. Škatulkování však není jednoduché ani v tomto případě. P. Knight říká: „Takové kvantové události, kdy manipulujete jeden či dva atomy pomocí jednoho či dvou fotonů, jsou úplným počátkem, vlastním zárodkem nové významné oblasti fyziky: zpracování kvantových informací.“