Bizonyára sejted, honnan ered ez az elképzelés. A klasszikus Newton-féle prizma a fénysugarat spektrumra bontja. Ennek során a fehér fényből egyszerre hét, a szivárvány színeinek megfelelő fénysugár keletkezik.
Joggal feltételezhetnénk, hogy ezek az új, színes fénysugarak mind különálló fotonokból állnak. A kérdés azonban akkor válik igazán érdekessé, ha mindezt egyetlen magányos fotonnal próbáljuk megtenni. Vajon mi a helyes válasz, és mi történik ilyenkor a valóságban?
Egyrészt, ha a fotont részecskének tekintjük, úgy tűnhet, hogy minden ilyen „szétbontás” azt jelenti, hogy a foton darabjaira hullik. Másrészt, ha egyfajta energiacsomagként gondolunk rá, elméletileg semmi sem akadályozza meg, hogy egy vastag fénysugarat egyszerűen spektrumra bontsunk. A valóság azonban – mint oly sokszor a fizikában – valahol a kettő között rejlik.
Egyetlen foton esetében ugyanis csak két dolog történhet: vagy elnyelődés nélkül egyszerűen áthalad a prizmán, vagy a prizma anyagának egyik atomja elnyeli azt. Utóbbi esetben az adott atom egyik elektronja magasabb energiaszintre ugrik. Ha ez megtörténik, akkor egy kis idő elteltével – amit pontosan sosem tudhatunk előre – az elektron visszatér az eredeti, alacsonyabb energiaszintjére, miközben egy teljesen új fotont bocsát ki véletlenszerű irányba, és véletlenszerű paraméterekkel (például frekvenciával és hullámhosszal).
A jelenség megértésének kulcsa pontosan az, hogy a kilépő részecske már nem ugyanaz a foton, hanem egy vadonatúj. Ez az új foton aztán vagy sértetlenül elhagyja a prizmát, vagy a „kijárathoz” közelebb érve egy másik atom ismét elnyeli. Rengeteg ilyen elnyelési és kibocsátási folyamat játszódhat le, mire egy foton végül ténylegesen kilép az anyagból.
Az eredeti foton frekvenciája persze befolyásolja a folyamat részleteit – például, hogy pontosan milyen energiaszintek érintettek –, de egyetlen magányos fotont vizsgálva sosem figyelhetjük meg a prizma klasszikus viselkedését. A jól ismert jelenség csak akkor mutatkozik meg, ha rengeteg, különböző frekvenciájú fotont, azaz fehér fényt bocsátunk a prizmára.
Ne feledjük, hogy amikor az elektronok visszatérnek az alacsonyabb energiaszintre, az általuk kibocsátott új fotonok teljesen véletlenszerű irányba távoznak. Ennek fényében joggal merülhet fel a kérdés: ha minden ennyire esetleges, hogyan jöhet létre mégis egy olyan gyönyörűen rendezett jelenség, mint a színek szétválása, ráadásul szigorúan a szivárvány sorrendjében?
A válaszhoz a kvantummechanikát, egészen pontosan a fotonok hullámfüggvényét kell segítségül hívnunk. A megfigyelési pontban kiszámított teljes hullámfüggvény a foton által az anyagon belül bejárható összes lehetséges útból adódik össze – beleértve az elnyelési és kibocsátási események minden elképzelhető kombinációját. Ez a hullámfüggvény mondja meg nekünk, hogy mekkora valószínűséggel fogunk észlelni egy fotont az adott pontban.
Amikor már hatalmas mennyiségű foton vesz részt a folyamatban, a valószínűségek összeadódnak, és megadják a fény adott pontban várható intenzitását. Mivel ezt az egészet a fotonok frekvenciája befolyásolja, a különböző frekvenciájú (vagyis különböző színű) fotonok eltérő intenzitással fognak felbukkanni az egyes pontokban. És bumm, máris láthatóvá válik a klasszikus, spektrumra bomló szivárványhatás.
A lényeg tehát az, hogy egyetlen foton esetében csupán valószínűségekről beszélhetünk, amelyek pontról pontra változnak. Valahol biztosan felbukkan a túloldalon, de ebből még semmilyen klasszikus fizikai törvényszerűséget nem lehetne kiolvasni. Ám amikor csillagászati mennyiségű fotont engedünk át a prizmán, a statisztikai valószínűségek végül kirajzolják a jól ismert Newton-féle prizma viselkedését.
