Можем ли мы действительно создать бесконечные фотоны? Физики рассказали, что может произойти, если мы попытаемся разрезать свет пополам

A visualization of a photon, courtesy of researchers at the University of Birmingham.

Фотоны действуют причудливым образом, напоминающим нам, что в самых маленьких масштабах и на самых фундаментальных уровнях существования все не так, как кажется.

Фотоны — это наименьшие возможные частицы электромагнитной энергии, они не имеют массы, что позволяет им путешествовать со скоростью света.

Однако эти способности могут быть их наименее интересными свойствами, поскольку они также демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм, ведя себя как волны, так и частицы в зависимости от того, как они измеряются — как показано в знаменитом эксперименте Томаса Янга. Эксперимент с двумя щелями XIX века.

Дальнейшим исследованием этой волнообразной двойственности физики из Университета Осло (UiO) исследовали вопрос, который никогда раньше не задавался: что происходит, когда вы пытаетесь разрезать фотон пополам, как если бы вы отрубили неприятный окисленный конец перезрелого банана?

«Удивительно, но мы обнаружим, что усеченный фотон — это сложное состояние, включающее Количество фотонов достигает бесконечности», — говорят исследователи.

«Другими словами, «отрезая часть фотона» с помощью затвора, мы эффективно создаем кучу новых фотонов».

Конечно, поскольку фотон является элементарной частицей, его фактически нельзя разрезать пополам, в отличие от банана, подрумяненного кислородом.

Итак, исследователи рассчитали, что произойдет, если убрать оптический затвор (по сути зеркало) во время его работы. отражающий фотон.

Фотон приближается к оптическому затвору или зеркалу слева и отражается назад. (Рукан и др., Phys. Rev. Lett., 2026)

Вместо того, чтобы создавать два фотона, движущихся в противоположных направлениях, удаление зеркала может привести к образованию множества фотонов или квантовой причуды, известной как суперпозиция, при которой фотоны существуют в нескольких состояниях одновременно.

При измерении эта величина теоретически может оказаться любым количеством фотонов: нулем, несколькими или группой, вплоть до бесконечности. количество.

Но можно ли действительно генерировать бесконечные фотоны, в теории или на практике?

«Существует распространенное недоразумение по поводу этой работы. При усечении фотона путем удаления зеркала ожидаемое количество произведенных фотонов не бесконечно». Йоханнес Скаар, физик-теоретик из UiO и один из соавторов исследования, рассказал ScienceAlert.

«Если зеркало убирают медленно, число фотонов мало; если убирать быстро, число большое.

«Но ожидаемое число никогда не бывает бесконечным – для этого потребовалось бы бесконечно быстрое удаление зеркала, что невозможно».

Действительно, вероятность измерения большого количества фотонов уменьшается, если зеркало убрать. медленно.

«Еще одно недоразумение заключается в том, что усечение фотонов сложно осуществить на практике. Это неправда». – физик-теоретик Йоханнес Скаар.

Кроме того, хотя в классической физике вакуум кажется пустым, «хорошо известно, что преобразованное состояние вакуума содержит фотоны», говорят исследователи, и процесс удаления зеркала «преобразует энергию вакуума в реальную энергию фотонов».

И хотя «разрезать» фотон не может быть таким же По словам Скаара, это не так уж и сложно, как нарезать буханку восхитительно острой и воздушной закваски, потому что фотоны существуют с разными длинами волн.

«Еще одно недоразумение заключается в том, что усечение фотонов сложно осуществить на практике. Это неправда», — сказал Скаар ScienceAlert.

«Действительно, узкополосные фотоны могут быть очень длинными, несколько метров и даже километров. Для такого фотона [зеркало] не должно быть нереально быстрым».

По теме: Удивительная теория случайно раскрывает точную форму фотона

Наконец, этот эксперимент обнаруживает удивительный эффект в зависимости от того, где он наблюдается, отмечает Скаар: «Это сложное состояние смеси локально эквивалентно одному фотону и вакууму (нолю фотонов) слева и справа от узкого перехода. региона.»

Слева от зеркала может быть один фотон, взрыв множества фотонов в переходной области посередине и ноль фотонов справа от зеркала. (Рукан и др., *Phys. Rev. Lett.*, 2026)

Таким образом, хотя может показаться, что существует яркое излучение множества фотонов в небольшой области, отделенной зеркалом: взгляд налево покажет один фотон, а взгляд направо — ноль фотонов или «пустое» пространство.

Возможно, авторы признают, что «это состояние довольно сложное».

Это исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.