Попытка разделить один фотон с помощью быстрого оптического затвора не приводит к получению двух меньших фотонов, а вместо этого генерирует квантовую суперпозицию, содержащую бесконечно много фотонов, из-за возмущений в квантовых флуктуациях электромагнитного поля. Локально система выглядит неизменной, но глобально квантовое состояние становится очень сложным, что иллюстрирует неклассическое поведение квантовых частиц.
автор: Сэм Джарман, Phys.org
По определению, элементарные частицы нельзя разделить на более мелкие части. Но в новом теоретическом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, Йоханнес Скаар и его коллеги показали, что произошло бы, если бы кто-то попытался разделить на части один-единственный фотон. Ответ на этот вопрос весьма удивителен: попытка разделить фотон на две части привела бы не к появлению двух более мелких фотонов, а к возникновению бесконечного их количества из ниоткуда.
Невозможно разрезать пополам
Как и любая квантовая частица, фотон существует одновременно и как отдельная локализованная частица, и как протяженная волна, распространяющаяся в пространстве. В своем исследовании команда Скаара рассматривала, что произойдет, если одиночный фотон пройдет через оптический затвор — по сути, очень быстрое зеркало, которое можно включать и выключать, чтобы блокировать часть светового импульса. Если затвор достаточно быстрый, он может перехватить фотон в середине импульса, отрезав часть этой протяженной волны.
Чтобы выяснить, что произойдет дальше, исследователи применили квантовые уравнения, описывающие поведение электромагнитного поля, лежащего в основе фотона, на квантовом уровне. В частности, их анализ позволил точно определить, как квантовое состояние фотона изменится при срабатывании затвора.
Бесконечная суперпозиция
Вместо того чтобы испускать фотон с одной стороны и создавать вакуум с другой, затвор генерирует нечто гораздо более странное и сложное: суперпозицию состояний, содержащую одновременно бесконечно много фотонов. Это происходит потому, что в квантовой механике пустое пространство на самом деле не является пустым — на самом деле оно пронизано флуктуациями электромагнитного поля. Быстро переключая затвор, ученые обнаружили, что эти флуктуации нарушаются и при этом спонтанно возникают новые фотоны. Однако важно отметить, что если смотреть только на область непосредственно по обе стороны от затвора, то состояние будет обманчиво нормальным: с одной стороны оно неотличимо от одиночного фотона, а с другой — от обычного вакуума.
Более глубокие квантовые исследования
Полученный результат наглядно демонстрирует, что квантовые частицы ведут себя иначе, чем обычные объекты, и поднимает более глубокие вопросы о том, как измеряются квантовые системы и как локализуется информация в пространстве. В своих будущих исследованиях Скаар и его коллеги планируют пойти дальше и выяснить, будет ли наблюдаться такая же странная физика при участии более чем одного фотона или при анализе других элементарных частиц, например электронов.
Сведения о публикации.
Исак Сесил Онсагер Рукан и др., «Усеченный фотон», Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/94pm-hp34. На arXiv: arxiv.org/abs/2510.21636
Physical Review Letters Информация о журнале: , arXiv