Max Planck var först. Han hade studerat strålningen från glödheta föremål och kommit till en förbryllande insikt. Vid ett fysikermöte i Berlin i december 1900 presenterade han, högst motvilligt, sin upptäckt. Det verkade som om strålningen var kornig och inte kontinuerlig. Den kom i små energipaket.
Idén var revolutionerande, men den visade sig bli utomordentligt fruktbärande. Ljus och annan elektromagnetisk strålning kan beskrivas som en ström av ettriga små ljuskvanta. De döptes sedermera till fotoner. Under slutet av 1920-talet formulerades en prydlig algebra för fotonerna, fullt funktionsduglig än i dag.
Fotonerna är fysikens motsvarighet till biologins mikroorganismer. De finns överallt och lägger sig i det mesta, men är svåra att få grepp om. De väger ingenting, och alla rör sig med samma hastighet.
De trivs ihop, till skillnad från andra partiklar. Elektroner, till exempel, vägrar att ha samma energi om de befinner sig på samma ställe, och vice versa. Men fotoner kan man packa ihop hur många som hest. En ljuspuls kan innehålla en foton, eller två, eller tio eller hundra fotoner, alla likadana och med samma energi.
Men sen börjar det knepiga. Fotoner lyder strikt under kvantfysikens lagar. Det innebär att de har tillgång till en flexiblare verklighet än den vi är vana vid.
En ljuspuls kan mycket väl bestå av en foton och två fotoner på en och samma gång - eller av sju, tjugo och tusen på en och samma gång. En ljusstråle kan vara sammansatt av ett obestämt antal fotoner, i ett slags mitt-emellan-läge, som strider mot all intuition. Fysikerna talar om överlagrade tillstånd, eller superpositioner.
Det är inget udda laboratoriefenomen. Faktum är att allt ljus vi ser, från solen och alla lampor, är sådana kvantfysikaliska spöktillstånd, där antalet fotoner inte är spikat, utan svävar fritt mellan olika alternativ.
Man kan försöka mäta antalet fotoner i en ljuspuls. Det betyder att man tvingar ljuset att välja en viss siffra. Det går inte att förutsäga vad det ska välja i det enskilda fallet, men mäter man antalet fotoner i många exakt likadana ljuspulser får man ett medeltal.
Den matematiska fotonteorin är tämligen abstrakt, men på senare år har experimentalfysikerna, fullastade med laserljus, stråldelare och interferometrar, hunnit i fatt. I de kvantoptiska laboratorierna kan man numera leka med fotoner på ett sätt som Max Planck aldrig kunnat drömma om.
I Florens har en grupp fysiker genomfört en rad raffinerade experiment, som illustrerar fotonernas gåtfulla beteende.
De utgår från en ljuspuls av spöksorten. Antalet fotoner är obestämt, men medeltalet är känt. Från ljuspulsen lyckas forskarna spjälka av exakt en foton. Frågan är: hur ser ljuspulsen ut efteråt?
Man kan räkna ut det med den abstrakta algebran. Resultatet blir besynnerligt. Det visar sig att det mycket väl kan finnas fler fotoner kvar i pulsen sen man plockat bort en.
Fysikerna i Florens har gjort försöket om och om igen, tusentals gånger. Algebran har rätt. Antalet fotoner kan öka sen man minskat med en. Det går faktiskt utmärkt att fördubbla antalet i ljuspulsen på det sättet.
Det här går att begripa, även om det fordrar en viss tankemöda. Så här:
Återgå först till de enklare, icke spöklika tillstånden, där antalet fotoner är väldefinierat. Antag, till exempel, att vi har exakt tre fotoner. Låt oss kalla dem A, B och C. Vi plockar bort en av dem. Kvar har vi någon av kombinationerna AB, AC eller BC.
Men alla fotoner är precis likadana. Det finns inte det någon som helst skillnad mellan AB, AC och BC. Det betyder att vårt ursprungliga tillstånds, med tre fotoner, nu förvandlats till tre tillstånd med två fotoner - och de tre är identiska.
Tänk er nu att de tre fotonerna ligger inbakade som en av komponenterna i ett överlagrat spöktillstånd. När vi tar bort en foton och sen mäter antalet har valmöjligheterna ynglat av sig, i flera identiska alternativ. Därför kan slutresultatet bli att vi nu har fler fotoner, som en direkt följd av att det inte går att skilja dem åt.
Det är inte alltid så. Det går att fixa ljus där antalet fotoner blir färre om man tar bort en. Det finns också ljus där antalet inte ändras alls. Så är det med det välordnade ljuset från en laser, där alla fotonerna marscherar i exakt samma takt.
Och vanligt ljus? Ja, det är en blandning av osorterade spökfotoner, i en enda rolig röra.
De florentinska experimenten redovisas i artikeln ”Subtracting photons from arbitrary light fields”, i decemberutgåvan av New Journal of Physics, tillgänglig på www.njp.org.
