- 27,260
- 46
- 8 Ноя 2022
Учёные показали, что быстрый оптический затвор не делит одиночный фотон на две части, а рождает сложную суперпозицию с бесконечным числом фотонов.
Разрезать фотон пополам нельзя даже в теории так, как режут лист бумаги или луч лазера в учебной схеме. Новая работа физиков показывает куда более странную картину: попытка «отсечь» часть одиночного фотона не создаст две половинки света, а запустит рождение бесконечного набора фотонных состояний.
В теоретическом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, Йоханнес Скар и его коллеги разобрали предельный мысленный эксперимент с одиночным фотоном. По определению элементарная частица не состоит из меньших деталей, но квантовая физика всё равно позволяет задать неприятный вопрос: что произойдёт, если попытаться разделить протяжённую волну фотона на части?
Фотон ведёт себя не только как отдельная частица, но и как волна, растянутая в пространстве. Исследователи представили, что одиночный фотон проходит через оптический затвор. Такой затвор можно описать как очень быстрое зеркало, которое включается и выключается и успевает перекрыть часть светового импульса. Если затвор сработает в середине импульса, он как будто отрежет кусок протяжённой волны.
Дальше физики применили квантовые уравнения для электромагнитного поля и проследили, как вмешательство затвора меняет квантовое состояние фотона. Результат оказался совсем не похож на обычное разделение. За затвором не возникает простой вариант «один фотон с одной стороны и пустота с другой». Вместо такой картины система переходит в суперпозицию состояний, где одновременно присутствует бесконечно много фотонов.
Причина связана с тем, что квантовый вакуум не похож на абсолютную пустоту. Даже в пустом пространстве электромагнитное поле испытывает флуктуации. Быстрое переключение затвора возмущает такие флуктуации, и из вакуума рождаются новые фотоны. При этом рядом с местом срабатывания затвора картина может выглядеть обманчиво нормально: с одной стороны словно остался одиночный фотон, а с другой будто находится обычный вакуум.
Работа показывает, насколько плохо бытовые представления о частицах работают в квантовой физике. Фотон нельзя рассматривать как крошечный шарик, который можно разрубить на две части. Квантовое поле отвечает на попытку резкого «разреза» не двумя осколками, а сложной суперпозицией, где локальное измерение скрывает полную структуру состояния.
Авторы планируют проверить, сохраняется ли такая же странная картина для нескольких фотонов и для других элементарных частиц, включая электроны. Такой подход может помочь точнее понять, как квантовые системы измеряются, где именно хранится информация и насколько вообще корректно говорить о локализации частицы в пространстве.
Разрезать фотон пополам нельзя даже в теории так, как режут лист бумаги или луч лазера в учебной схеме. Новая работа физиков показывает куда более странную картину: попытка «отсечь» часть одиночного фотона не создаст две половинки света, а запустит рождение бесконечного набора фотонных состояний.
В теоретическом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, Йоханнес Скар и его коллеги разобрали предельный мысленный эксперимент с одиночным фотоном. По определению элементарная частица не состоит из меньших деталей, но квантовая физика всё равно позволяет задать неприятный вопрос: что произойдёт, если попытаться разделить протяжённую волну фотона на части?
Фотон ведёт себя не только как отдельная частица, но и как волна, растянутая в пространстве. Исследователи представили, что одиночный фотон проходит через оптический затвор. Такой затвор можно описать как очень быстрое зеркало, которое включается и выключается и успевает перекрыть часть светового импульса. Если затвор сработает в середине импульса, он как будто отрежет кусок протяжённой волны.
Дальше физики применили квантовые уравнения для электромагнитного поля и проследили, как вмешательство затвора меняет квантовое состояние фотона. Результат оказался совсем не похож на обычное разделение. За затвором не возникает простой вариант «один фотон с одной стороны и пустота с другой». Вместо такой картины система переходит в суперпозицию состояний, где одновременно присутствует бесконечно много фотонов.
Причина связана с тем, что квантовый вакуум не похож на абсолютную пустоту. Даже в пустом пространстве электромагнитное поле испытывает флуктуации. Быстрое переключение затвора возмущает такие флуктуации, и из вакуума рождаются новые фотоны. При этом рядом с местом срабатывания затвора картина может выглядеть обманчиво нормально: с одной стороны словно остался одиночный фотон, а с другой будто находится обычный вакуум.
Работа показывает, насколько плохо бытовые представления о частицах работают в квантовой физике. Фотон нельзя рассматривать как крошечный шарик, который можно разрубить на две части. Квантовое поле отвечает на попытку резкого «разреза» не двумя осколками, а сложной суперпозицией, где локальное измерение скрывает полную структуру состояния.
Авторы планируют проверить, сохраняется ли такая же странная картина для нескольких фотонов и для других элементарных частиц, включая электроны. Такой подход может помочь точнее понять, как квантовые системы измеряются, где именно хранится информация и насколько вообще корректно говорить о локализации частицы в пространстве.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
