Фотоны — странные существа.
Мы это знаем. Это безмассовые пакеты электромагнитной энергии. Они движутся со скоростью света. Они игнорируют законы, которые держат яблоки на ветвях деревьев.
Но существует определённый квантовый трюк, который выводит мозг из равновесия даже сильнее, чем корпускулярно-волновой дуализм. Он связан с зеркалами. И бананами. Или, по крайней мере, с идеей разрезать фотон как перезрелый фрукт.
Физики из Университета Осло задался вопросом, который раньше практически никогда не ставился. Как можно «отсечь» (обрезать) фотон?
Если разрезать банан пополам, вы получите две половинки. Если разрезать фотон пополам, вы не получите два фотона.
Вы получите бардак.
«Удивительно, но мы обнаруживаем, что укороченный фотон представляет собой сложное состояние, включающее количество фотонов вплоть до бесконечности».
Исследователи смоделировали процесс удаления оптического затвора — по сути, зеркала, — в то время как фотон отражался от него.
Они хотели посмотреть, что происходит, если прервать отражение на полпути.
Миф о бесконечных фотонах
Математика утверждает, что результат представляет собой суперпозицию.
В этом состоянии фотон находится в нескольких состояниях одновременно. При измерении вы можете обнаружить нуль фотонов. Вы можете обнаружить несколько. Или, в экстремальном теоретическом пределе, бесконечное количество.
Бесконечное. Количество. Фотонов.
Звучит нелепо. И оно такое. Но это лишь из-за распространённого заблуждения.
Йоханнес Скар, теоретический физик из Университета Осло и соавтор исследования, прояснил эту путаницу. В разговоре с ScienceAlert он объяснил ограничения эксперимента.
Ожидаемое среднее число фотонов не является бесконечным.
Всё зависит от скорости.
Если удалить зеркало медленно, получится малое количество фотонов. Если быстро — большое. Чтобы получить по-настоящему бесконечное число фотонов, нужно убрать зеркало за ноль времени.
Это потребовало бы бесконечной скорости.
Физика не допускает этого.
Почему энергия вакуума создаёт реальные частицы
Так можно ли это сделать на практике?
Да.
Другой миф гласит, что отсечение фотона слишком сложно для реализации. Скар утверждает, что это неверно.
Длина фотонов варьируется. Узкополосный фотон может растягиваться на метры. Или километры.
Для фотона такой длины вам не нужен затвор с нереально большой скоростью. Вам просто нужно заблокировать часть его волнового пакета.
Механизм завораживает. В классической физике вакуум пуст. В квантовой механике — нет.
Состояние вакуума содержит потенциальную энергию.
Когда зеркало удаляется, этот процесс преобразует энергию вакуума в энергию реальных фотонов. Отсечение не просто отсекает свет. Оно создаёт новый свет из пустоты.
Что вы на самом деле увидите
Вот самая странная часть.
Состояние, созданное таким отсечением, локально эквивалентно более простым состояниям, в зависимости от того, где вы наблюдаете.
Представьте область между зеркалом и траекторией фотона.
Наблюдатель слева от этой узкой переходной зоны видит один фотон. Ничего необычного. Предсказуемо.
Наблюдатель справа видит вакуум. Ноль фотонов. Пустое пространство.
Но в той тонкой переходной области?
Там происходит блестящее излияние вероятностей. Смешанное состояние, которое невозможно описать простым подсчётом.
Скар признал, что всё это сложно.
Это напоминает нам о том, что на самых малых масштабах реальность не твёрдая. Она текучая. Она вероятностна.
Думаем, что мы понимаем свет.
Мы не понимаем.
И если вы попытаетесь разрезать его, вселенная может вручить вам бесконечность. Или ничего.
Всё зависит от того, как быстро движется ваше зеркало.
