Элементарные частицы, по определению, нельзя разбить на более мелкие части. Но что, если попробовать? Группа физиков под руководством Йоханнеса Скаара из Университета Осло в Норвегии задалась именно этим вопросом применительно к фотону — частице света. Ответ, опубликованный в научном журнале Physical Review Letters, оказался не просто неожиданным, а по-настоящему странным.
Как и любая квантовая частица, фотон существует одновременно в двух ипостасях: как локализованная частица и как протяженная волна, размазанная по пространству. Исследователи задались вопросом: что произойдет, если одиночный фотон пропустить через оптический затвор — очень быстрый зеркальный переключатель, который может включаться и выключаться, блокируя часть светового импульса? Если затвор сработает достаточно быстро, он перехватит фотон в середине импульса, буквально «отрезав» часть его протяженной волны.
Чтобы узнать, что произойдет после такого «разрезания», ученые применили квантовые уравнения, описывающие поведение электромагнитного поля фотона на квантовом уровне. Результат оказался радикально отличающимся от интуитивных ожиданий.
Вместо того чтобы получить один фотон с одной стороны затвора и вакуум (пустоту) с другой, затвор порождает нечто гораздо более странное и сложное: суперпозицию состояний, содержащих одновременно бесконечное множество фотонов. Это происходит потому, что в квантовой механике пустое пространство не является по-настоящему пустым. В вакууме постоянно происходят флуктуации электромагнитного поля — частицы и античастицы возникают и исчезают в буквальном смысле «из ничего». Быстрое переключение затвора, как показало моделирование, возмущает эти флуктуации, заставляя их спонтанно рождать новые, дополнительные фотоны.
При этом, если смотреть только на область непосредственно по ту или иную сторону от сработавшего затвора, состояние будет выглядеть обманчиво нормальным: его невозможно будет отличить от одиночного фотона с одной стороны и простого вакуума — с другой.
Этот результат, подчеркивают авторы, ярко иллюстрирует, насколько поведение квантовых частиц отличается от поведения привычных нам объектов макромира. Кроме того, он ставит более глубокие вопросы о том, как измеряются квантовые системы и как информация локализуется в пространстве. В своих будущих исследованиях Скаар и его коллеги планируют пойти дальше. Они намерены выяснить, будет ли действовать та же самая странная физика в случае с несколькими фотонами, а также попробуют распространить анализ на другие элементарные частицы, например на электроны.
Ранее Наука Mail рассказывала о первой успешной телепортации СВЧ-сигнала по «теплому» кабелю из титанового сплава.
