Физики вычислили, что будет при попытке разделить фотон
В греческой мифологии, когда у Лернейской гидры отрубали одну голову, на ее месте вырастали две новые. Фотоны, как показали расчеты, обладают таким же умением — попытки разрезать частицу света порождают бесконечное множество новых.
Некоторые элементарные частицы, например протоны, можно разделить на кварки. Дальше — все: кварк в принципе неделим. А что с фотоном? Проверили, пока только математически, физики-теоретики из Университете Осло.
Свет, как мы помним, — это и волна, и частица. Поэтому фотон нельзя представить как летящую точку — у него есть «хвост», простирающийся в пространстве. Авторы исследования смоделировали, что будет, если этот хвост отсечь очень быстрым затвором. Результаты приняты к публикации в Physical Review Letters.
Используя квантовые уравнения электромагнитного поля, исследователи выяснили, что такое отсечение порождает квантовое состояние света, представляющее собой смесь (или суперпозицию) бесконечного числа фотонов. Это происходит потому, что на квантовом уровне пустое пространство вовсе не пустое — оно заполнено квантовыми полями (включая электромагнитное), которые обладают крошечными флуктуациями и могут возбуждаться с рождением частиц. Зеркало, «подрезающее» фотон, как раз и запускает такой процесс.
«Всякий раз, когда мы быстро меняем состояние зеркала или затвора, мы „взбалтываем“ вакуум и из ничего порождаем фотоны», — объясняет профессор Сэмюэл Браунштейн из Йоркского университета.
Любые локальные измерения покажут, что это состояние суперпозиции неотличимо от одного-единственного фотона по одну сторону зеркала и от пустого вакуума — по другую. Это подчеркивает, насколько представление об измерении в квантовом мире отличается от нашего повседневного опыта. По словам Браунштейна, этот пример демонстрирует, как в квантовой теории «пугающе сложный объект может маскироваться под нечто абсолютно простое».
Эксперименты уже подтвердили: достаточно быстрый затвор в пустом пространстве действительно порождает фотоны, говорит профессор Ульф Леонхардт из Института Вейцмана. Однако экспериментальная проверка новой идеи может оказаться более сложной с технической точки зрения. Управление светом на сверхбыстрых временны́х масштабах постепенно становится реальностью в лабораториях, но затвор из нового исследования все еще быстрее того, что доступно сегодня. Новая работа указывает на необходимость дальнейшего изучения явлений, связанных с квантовым вакуумом, что может привести к уточнению — или даже изменению — квантовополевой теории электромагнитных взаимодействии, добавляет физик.
Помимо интереса к вопросам локальности в квантовой теории, которые могут быть связаны с еще более фундаментальными идеями, например, с работой причинности в экспериментах с квантовыми частицами, авторы планируют расширить свой анализ на случай нескольких фотонов одновременно, а также на другие частицы, такие как электроны.