Фотони – дивні істоти.
Ми це знаємо. Це безмасові пакунки електромагнітної енергії. Вони рухаються зі швидкістю світла. Вони ігнорують закони, які містять яблука на гілках дерев.
Але існує певний квантовий трюк, який виводить мозок із рівноваги навіть сильніше, ніж корпускулярно-хвильовий дуалізм. Він пов’язаний із дзеркалами. І бананами. Або принаймні з ідеєю розрізати фотон як перестиглий фрукт.
Фізики з Університету Осло поставив питання, яке раніше практично ніколи не ставилося. Як можна «відсікти» (обрізати) фотон?
Якщо банан розрізати навпіл, ви отримаєте дві половинки. Якщо розрізати фотон навпіл, ви не отримаєте два фотони.
Ви отримаєте бардак.
«Дивно, але ми виявляємо, що укорочений фотон є складним станом, що включає кількість фотонів аж до нескінченності».
Дослідники змоделювали процес видалення оптичного затвора – по суті, дзеркала, – у той час як фотон відбивався від нього.
Вони хотіли подивитися, що відбувається, якщо перервати відбиток на півдорозі.
Міф про нескінченні фотони
Математика стверджує, що результат є суперпозицією.
У цьому стані фотон знаходиться у кількох станах одночасно. При вимірі ви можете виявити нуль фотонів. Ви можете знайти кілька. Або, в екстремальній теоретичній межі, нескінченна кількість.
Нескінченне. Кількість. Фотонів.
Звучить безглуздо. І воно таке. Але це лише через поширену оману.
Йоханнес Скар, теоретичний фізик з Університету Осло та співавтор дослідження, прояснив цю плутанину. У розмові з ScienceAlert він пояснив обмеження експерименту.
Очікуване середнє число фотонів не є нескінченним.
Все залежить від швидкості.
Якщо видалити дзеркало повільно, вийде невелика кількість фотонів. Якщо швидко – велике. Щоб отримати по-справжньому нескінченну кількість фотонів, потрібно забрати дзеркало за нуль часу.
Це вимагало б нескінченної швидкості.
Фізика не припускає цього.
Чому енергія вакууму створює реальні частки
Тож чи можна це зробити на практиці?
Так.
Інший міф свідчить, що відсікання фотона дуже складно для реалізації. Скар стверджує, що це не так.
Довжина фотонів варіюється. Вузькосмуговий фотон може розтягуватися на метри. Або кілометри.
Для фотона такої довжини вам не потрібний затвор із нереально великою швидкістю. Вам просто необхідно заблокувати частину його хвильового пакету.
Механізм зачаровує. У класичній фізиці вакуум порожній. У квантовій механіці – ні.
Стан вакууму містить потенційну енергію.
Коли дзеркало видаляється, цей процес перетворює енергію вакууму на енергію реальних фотонів. Відсікання не просто відсікає світло. Воно створює нове світло з порожнечі.
Що ви насправді побачите
Ось найдивніша частина.
Стан, створений таким відсіканням, локально еквівалентний більш простим станам, залежно від того, де ви спостерігаєте.
Уявіть область між дзеркалом та траєкторією фотона.
Спостерігач ліворуч від цієї вузької перехідної зони бачить один фотон. Нічого незвичайного. Передбачувано.
Спостерігач праворуч бачить вакуум. Нуль фотонів. Порожній простір.
Але в тій тонкій перехідній області?
Там відбувається блискучий вилив ймовірностей. Змішаний стан, який неможливо описати простим підрахунком.
Скар визнав, що це складно.
Це нагадує нам у тому, що у найменших масштабах реальність не тверда. Вона текуча. Вона ймовірна.
Думаємо, що ми розуміємо світло.
Ми не розуміємо.
І якщо ви спробуєте розрізати його, всесвіт може вручити вам нескінченність. Або нічого.
Все залежить від того, як швидко рухається дзеркало.
