Если убрать зеркало во время отражения фотона можно получить состояние с бесконечным числом фотонов
Физики обнаружили необычный квантовый эффект, при котором удаление зеркала во время отражения фотона может привести к появлению сложного квантового состояния, включающего потенциально любое число фотонов — от нуля до бесконечности. При этом речь не идёт о буквальном создании бесконечного количества частиц: среднее ожидаемое число фотонов всегда остаётся конечным.
Фотоны представляют собой минимальные порции электромагнитной энергии. У них нет массы, поэтому в вакууме они движутся со скоростью света. Однако эти свойства далеко не исчерпывают странности фотонов, которые демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм и могут вести себя одновременно как частицы и волны в зависимости от условий наблюдения.
Физики из Университета Осло решили рассмотреть необычный вопрос: что произойдёт, если «обрезать» фотон. Конечно, элементарную частицу невозможно буквально разрезать пополам. Поэтому исследователи математически рассмотрели ситуацию, в которой оптическая заслонка, фактически представляющая собой зеркало, удаляется в тот момент, когда фотон отражается от неё.
На первый взгляд можно было бы предположить, что после удаления зеркала фотон просто продолжит движение или разделится на два фотона, распространяющихся в противоположных направлениях. Однако расчёты показали, что результат оказывается гораздо сложнее.
«Удивительно, но мы обнаруживаем, что усечённый фотон представляет собой сложное состояние, включающее числа фотонов вплоть до бесконечности», — отмечают исследователи. Иными словами, если «отрезать часть фотона» с помощью заслонки, возникает квантовая суперпозиция, в которой система может содержать различное количество фотонов.
При измерении теоретически можно получить ноль фотонов, несколько фотонов или гораздо большее количество частиц. Формально число возможных фотонов простирается до бесконечности, однако это не означает, что эксперимент способен реально создать бесконечное число фотонов.
«Существует распространённое неправильное понимание этой работы. При усечении фотона путём удаления зеркала ожидаемое число образовавшихся фотонов не является бесконечным», — пояснил теоретический физик Университета Осло Йоханнес Скаар, один из авторов исследования.
По его словам, если зеркало удаляется медленно, количество возникающих фотонов оказывается небольшим. Если же зеркало убрать быстро, число фотонов может быть значительно больше. Однако ожидаемое количество никогда не становится бесконечным, поскольку для этого потребовалось бы удалять зеркало с бесконечной скоростью, что физически невозможно.
Вероятность обнаружить большое число фотонов также уменьшается, если зеркало удаляется медленно. Таким образом, скорость изменения границы между областью, где фотон может существовать, и окружающим пространством непосредственно влияет на распределение возможных результатов измерения.
Исследователи также подчёркивают, что подобный эффект не обязательно требует сложной практической процедуры. Даже вакуум, который в классической физике считается пустым пространством, в квантовой теории может содержать флуктуации и участвовать в процессах, связанных с появлением реальных фотонов.
«Хорошо известно, что преобразованное вакуумное состояние содержит фотоны», — отмечают авторы работы. По их словам, удаление зеркала может приводить к преобразованию энергии квантового вакуума в энергию реальных фотонов.
При этом «обрезание» фотона может быть практически реализуемым, поскольку фотоны способны иметь очень большую пространственную протяжённость. Узкополосный фотон может занимать в пространстве несколько метров или даже километров. Поэтому зеркало не обязательно должно перемещаться с нереалистично высокой скоростью, чтобы взаимодействовать только с частью такого фотона.
Особенно необычным оказался вопрос о том, как выглядит получившееся состояние в разных областях пространства. По словам исследователей, сложная смесь состояний локально эквивалентна одному фотону и вакууму по разные стороны от узкой переходной области.
Это означает, что наблюдатель слева от зеркала может обнаружить один фотон. В небольшой области перехода между двумя состояниями может возникать сложная суперпозиция, включающая большое число возможных фотонов. А справа от зеркала пространство будет выглядеть как вакуум, то есть область с нулевым числом фотонов.
Таким образом, один и тот же квантовый объект может проявляться совершенно по-разному в зависимости от того, в какой области пространства проводится наблюдение. В одной части системы будет казаться, что существует один фотон, в другой — что фотонов нет вовсе, а в переходной зоне квантовое состояние будет включать суперпозицию с возможностью обнаружения различного количества частиц.
Исследователи признают, что получившееся состояние является чрезвычайно сложным. Работа показывает, насколько необычно могут вести себя квантовые поля при резком изменении границ, ограничивающих распространение света, и как даже простое на первый взгляд удаление зеркала может привести к появлению сложной структуры квантовых состояний.
Исследование в журнале Physical Review Letters.