Физики «разрезали» фотон и получили бесконечное количество частиц из пустоты

Исследователи во главе с Йоханнесом Скааром из Норвежского университета науки и техники обнаружили, что попытка механически обрезать одиночный фотон с помощью сверхбыстрого оптического затвора приводит к парадоксальному результату: вместо двух половинок или одного урезанного фотона рождается бесконечная суперпозиция всевозможных количеств фотонов. Это открытие опубликовано в журнале Physical Review Letters и демонстрирует фундаментальное различие между квантовыми частицами и привычными макроскопическими объектами.

С точки зрения классической физики, попытка разрезать фотон выглядит столь же бессмысленной, как попытка разделить пополам электрон. Ни то, ни другое не является составным объектом вроде атома или молекулы. Фотон это элементарный квант электромагнитного поля, и по определению не состоит из чего-либо более мелкого. Однако у фотона есть и волновая природа: он описывается протяженным волновым пакетом, распределенным в пространстве.

Именно это волновое свойство позволяет поставить мысленный эксперимент с оптическим затвором — устройством, которое напоминает сверхбыстрое зеркало, способное включаться и выключаться за доли периода световой волны. Если такой затвор сработает точно в тот момент, когда через него проходит одиночный фотон, он как бы «отсечет» хвост волновой функции. Что же останется по разные стороны заслонки?

Чтобы ответить на этот вопрос, Йоханнес Скаар и его коллеги применили аппарат квантовой теории поля, более глубокий уровень описания, чем обычная квантовая механика. Вместо того чтобы рассматривать фотон как точечную частицу, они проследили, как меняется квантовое состояние электромагнитного поля при резком изменении граничных условий. И тут выяснилось самое интересное. Интуиция подсказывает, что после срабатывания затвора с одной стороны должен остаться фотон (или его урезанная версия), а с другой вакуум, то есть полное отсутствие частиц.

Однако расчеты показали нечто совершенно иное: итоговое состояние поля представляет собой сложнейшую квантовую суперпозицию, в которую вносят вклад состояния с одним фотоном, двумя фотонами, тремя фотонами и так далее до бесконечности. Иными словами, попытка «разрезать» фотон порождает целый спектр новых фотонов, появляющихся буквально из ничего.

Откуда же берутся эти дополнительные фотоны? Дело в том, что вакуум в квантовой теории вовсе не пустота. Даже в отсутствие реальных частиц в нем существуют неопределенные флуктуации электромагнитного поля (так называемые нулевые колебания). При обычных условиях эти флуктуации не проявляют себя макроскопически, но резкое изменение свойств пространства, например, мгновенное включение затвора, «встряхивает» вакуум и заставляет его спонтанно генерировать реальные фотоны.

Это похоже на эффект Казимира, только в динамическом варианте. Однако есть и парадоксальная деталь: если смотреть на область непосредственно слева и справа от затвора, не пересекая границу, там все выглядит обычно. С одной стороны поле ведет себя как одиночный фотон, с другой как идеальный вакуум. Нелокальная квантовая корреляция маскирует истинную сложность состояния, делая его локально обманчиво простым.

Полученные результаты важны не только как курьез. Они показывают, как фундаментально устроена квантовая реальность: информация о числе частиц может быть распределена нелокальным образом, а резкие изменения условий способны черпать энергию из вакуумных флуктуаций для рождения бесконечных последовательностей фотонов. В ближайших планах ученых распространить анализ на случаи с несколькими фотонами, а также на другие элементарные частицы, включая электроны. Возможно, физикам удастся экспериментально проверить эти предсказания с помощью сверхбыстрых полупроводниковых затворов или квантовых точек.

В итоге ученые теоретически показали, что «разрезание» одиночного фотона сверхбыстрым затвором не дает двух половинок, а превращает состояние поля в бесконечную квантовую суперпозицию. При этом локально, по отдельности слева и справа от затвора, картина выглядит так, будто ничего необычного не произошло. Это яркий пример нелокальности и вакуумных эффектов в квантовой теории поля.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях