Фотоны ведут себя совсем не так, как привычные нам объекты. Эти мельчайшие порции электромагнитной энергии не имеют массы, движутся со скоростью света и могут проявлять свойства как частицы, так и волны.
Физики из Университета Осло решили исследовать необычный вопрос: что произойдёт, если попытаться «отрезать» часть фотона?
Разумеется, элементарную частицу нельзя буквально разрезать пополам. Поэтому учёные теоретически рассмотрели другую ситуацию: зеркало отражает фотон, но в определённый момент его внезапно убирают, прерывая процесс отражения.
Расчёты показали, что после такого вмешательства возникает не два отдельных фотона, летящих в разные стороны, а гораздо более сложное квантовое состояние. Оно представляет собой наложение множества вариантов, в которых одновременно может содержаться разное число фотонов.
При измерении результатом теоретически может оказаться ноль фотонов, один, несколько или любое другое количество — вплоть до сколь угодно большого числа.
Однако это не означает, что в опыте действительно возникает бесконечное количество частиц света. Соавтор исследования Йоханнес Скаар пояснил, что среднее ожидаемое число фотонов всегда остаётся конечным.
Если зеркало убирать медленно, новых фотонов образуется мало. Чем быстрее оно исчезает, тем больше их может возникнуть. Для получения бесконечного количества потребовалось бы убрать зеркало с бесконечной скоростью, что физически невозможно.
Кроме того, вероятность обнаружить очень большое число фотонов снижается, если зеркало удаляется постепенно.
Исследователи также отмечают, что кажущийся пустым вакуум в квантовой физике не является полностью пустым. При изменении условий энергия вакуума может превращаться в энергию реальных фотонов. В рассматриваемой ситуации это происходит при удалении зеркала.
По словам Скаара, провести подобный опыт на практике не так сложно, как может показаться. Фотоны с узким диапазоном частот могут иметь протяжённость в несколько метров и даже километров. Поэтому зеркало не обязательно должно двигаться с невозможной скоростью, чтобы прервать такой фотон.
Особенно необычно новое состояние выглядит в зависимости от места наблюдения. В узкой области рядом с зеркалом может возникать сложная смесь множества возможных фотонных состояний. Но слева от неё наблюдатель обнаружит один фотон, а справа — ни одного, то есть вакуум.
Таким образом, попытка «отсечь» часть фотона не делит его на две половины. Вместо этого она создаёт сложное квантовое состояние, в котором возможны самые разные количества частиц света.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
