Что произойдет, если попытаться разрезать один фотон? Разбор квантового парадокса

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В классическом представлении физический мир состоит из неделимых кирпичиков материи и непрерывных волн. Однако квантовая теория поля стерла эту границу. Свет, который мы привыкли считать непрерывным излучением, при детальном рассмотрении оказывается потоком одиночных квантов — фотонов. Фотон невозможно разделить на части, у него нет внутренней структуры, его нельзя разобрать на составляющие элементы.

Но что произойдет, если мы попытаемся вмешаться в процесс распространения одиночного фотона с помощью внешнего макроскопического устройства?

«Разрезание» фотона, абстрактная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Представьте себе эксперимент: одиночный фотон движется в пространстве. На его пути установлен идеальный оптический затвор — преграда, которая может мгновенно или очень быстро становиться прозрачной. Если этот затвор откроется ровно в тот момент, когда через него должна пройти лишь часть фотона, как поведет себя квант света? Превратится ли он в усеченную частицу, или это действие приведет к совершенно иным физическим последствиям?

Физики из Университета Осло провели подробный теоретический анализ этой задачи. Результаты их работы показывают, что попытка усечь фотон с помощью быстрого изменения внешних условий запускает сложные квантовые процессы, приводящие к рождению новых частиц, но при этом сохраняющие удивительный локальный порядок.

Неуловимые границы квантового пакета

Чтобы понять суть проблемы, необходимо отказаться от представления о фотоне как о точечной частице. В квантовой физике фотон описывается волновым пакетом — протяженным в пространстве и времени колебанием электромагнитного полей. У этого пакета есть область максимальной интенсивности и спадающие края.

Важнейшая особенность квантового волнового пакета заключается в том, что его границы принципиально невозможно сделать абсолютно резкими. Физические законы, описывающие электромагнитное поле, накладывают ограничение: у любого реального фотона всегда есть бесконечно протяженные края, которые уходят далеко вперед и назад от его центра. Это свойство подтверждается теоремой Найта, согласно которой невозможно создать однофотонное состояние, занимающее строго ограниченный, конечный объем пространства.

Когда на пути такого протяженного фотона стоит закрытый оптический затвор (например, идеальное зеркало), пространство разделяется на две изолированные части. Слева от зеркала находится область, где летит фотон, и передняя часть его волнового пакета уже начинает отражаться от преграды. Справа от зеркала находится область абсолютной пустоты — квантового вакуума.

Если мы мгновенно уберем преграду в момент времени t = 0, логика классической физики подскажет нам следующее решение: левая часть волнового пакета пройдет вперед, образовав усеченный фотон, а справа останется пустота. Однако в квантовой теории поля такое состояние с резкой границей существовать не может. Попытка принудительно обрезать бесконечный край фотона неизбежно меняет саму структуру электромагнитного поля.

Падающий фотон распространяется вправо и отражается в точке x = 0. Сплошная синяя линия показывает плотность энергии волны, летящей вправо; штриховая — отраженной волны, летящей влево. В момент t = 0 отражатель мгновенно убирается. До этого (при t < 0) преграда разделяет квантовое поле на две независимые области: x < 0 и x > 0. После открытия затвора (при t > 0) поле представляет собой обычную суперпозицию волн, движущихся вперед и назад.
Падающий фотон распространяется вправо и отражается в точке x = 0. Сплошная синяя линия показывает плотность энергии волны, летящей вправо; штриховая — отраженной волны, летящей влево. В момент t = 0 отражатель мгновенно убирается. До этого (при t < 0) преграда разделяет квантовое поле на две независимые области: x < 0 и x > 0. После открытия затвора (при t > 0) поле представляет собой обычную суперпозицию волн, движущихся вперед и назад.
Автор: I. C. O. Rukan, J. Gulla, J. Skaar et al. Источник: arxiv.org
Почему исчезновение преграды рождает новые частицы

Взаимодействие затвора и фотона нельзя рассматривать как простое механическое перекрытие. Убирая или создавая физическую преграду, мы меняем свойства самого пространства, в котором распространяются электромагнитные волны.

В теоретической физике существует фундаментальный закон — теорема Нётер. Она связывает симметрии природы с законами сохранения. Однородность пространства во всех направлениях гарантирует закон сохранения импульса, а однородность времени — закон сохранения энергии. Если физические свойства системы остаются неизменными со временем, полная энергия этой системы сохраняется.

Однако быстрое исчезновение зеркала — это процесс, который напрямую зависит от времени. В момент открытия затвора временная однородность системы нарушается. Следовательно, в этой области пространства перестает действовать закон сохранения энергии для электромагнитного поля. Внешний механизм, который убирает преграду, совершает работу и передает энергию системе.

Куда уходит эта энергия? В квантовой теории поля вакуум — это не просто отсутствие всего, а динамическая среда, в которой непрерывно возникают и исчезают виртуальные частицы. Когда внешние условия (границы поля) меняются во времени, эти виртуальные частицы получают энергию и становятся реальными. Этот процесс называется динамическим эффектом Казимира.

Если бы затвор исчезал абсолютно мгновенно, то, согласно расчетам, в пространстве родилось бы бесконечное число новых фотонов. Чтобы избежать этой нефизической бесконечности, норвежские исследователи построили модель постепенного открытия затвора. Они представили преграду как бесконечно тонкую пластину, диэлектрическая проницаемость которой снижается до нуля за конечное, пусть и очень малое время T.

В этом реалистичном сценарии количество рожденных фотонов оказывается конечным. Среднее число созданных квантов n не превышает величину: k0 / (4 * T) + k02 / (16 * T2), где k0 — начальная сила отражателя, а T — время его убирания. Оно напрямую зависит от скорости открытия затвора: чем быстрее исчезает преграда, тем больше новых квантов света появляется из вакуума.

Парадокс локальной эквивалентности: порядок внутри хаоса

Математический расчет показывает, что после открытия затвора исходный одиночный фотон превращается в крайне сложное состояние поля. Оно представляет собой смесь и суперпозицию множества состояний с самым разным количеством частиц — от нуля до бесконечности. Это состояние физики называют мультимодовым сжатым вакуумом.

Казалось бы, мы получили хаотический квантовый шум вместо направленного сигнала. Однако авторы исследования обнаружили интересное свойство этого состояния, которое они назвали локальной эквивалентностью.

Если мы решим провести физические измерения в разных областях пространства после открытия затвора, мы столкнемся с неожиданным эффектом:

  1. В области слева от затвора (там, где летела основная часть фотона) любые измерения локальных физических величин будут показывать, что перед нами находится чистый, неповрежденный одиночный фотон. Все характеристики поля здесь в точности соответствуют исходной частице.
  2. В области справа от затвора (куда усеченная часть фотона еще не успела долететь) любые приборы зафиксируют идеальную пустоту. Детекторы покажут, что здесь находится чистый вакуум, в котором нет никаких частиц.

Возникает вопрос: где же находятся те новые фотоны, которые родились из-за нарушения временной симметрии при открытии затвора?

Оказывается, все рожденные кванты света, избыточная энергия и квантовый хаос сосредоточены исключительно внутри очень узкой области — зоны перехода. Пространственный размер этой зоны определяется скоростью работы затвора и равен произведению скорости света на время открытия преграды (произведению c на T). Внутри этой зоны плотность энергии резко возрастает, фиксируя момент вмешательства затвора в систему. Но за пределами этого узкого диапазона поле ведет себя так, словно никакого сложного многочастичного хаоса не существует.

Для волн, движущихся вперед, состояние усеченного фотона локально эквивалентно одиночному фотону (состоянию a+ [0]) слева от переходной зоны и вакууму (состоянию [0]) справа от нее. Эквивалентность означает, что все локальные измеряемые величины дают одинаковую статистику измерений. В статье рассматриваются измеряемые величины L и R слева и справа от переходной зоны соответственно.
Для волн, движущихся вперед, состояние усеченного фотона локально эквивалентно одиночному фотону (состоянию a+ [0]) слева от переходной зоны и вакууму (состоянию [0]) справа от нее. Эквивалентность означает, что все локальные измеряемые величины дают одинаковую статистику измерений. В статье рассматриваются измеряемые величины L и R слева и справа от переходной зоны соответственно.
Автор: I. C. O. Rukan, J. Gulla, J. Skaar et al. Источник: arxiv.org
Технологический предел: насколько быстро можно переключать свет

Открытие норвежских физиков имеет важное значение не только для фундаментальной теории поля, но и для прикладных разработок в области квантовых технологий.

В современных системах квантовой связи, оптоволоконных сетях и квантовых компьютерах информация передается с помощью одиночных фотонов. Для управления этими потоками используются сверхбыстрые оптические модуляторы и переключатели. До сих пор инженеры при расчете таких устройств использовали классические формулы, предполагая, что затвор просто отсекает ненужную часть светового импульса, не меняя его внутреннюю квантовую структуру.

Новое исследование показывает, что у этого процесса есть фундаментальный физический предел. Чтобы затвор работал корректно и не создавал паразитный квантовый шум из вакуума, время его открытия T должно быть значительно больше величины, обратной центральной частоте фотона w (то есть T >> 1/w).

Для стандартного оптического диапазона, который используется в современных лазерах и телекоммуникациях (с частотой около 1015 герц), это означает, что время срабатывания затвора должно быть значительно больше, чем 10^-14 секунды (10 фемтосекунд). Если инженеры попытаются создать переключатель, работающий быстрее этого предела, устройство начнет генерировать избыточные фотоны за счет динамического эффекта Казимира. Вместо чистого однофотонного сигнала в линию связи начнет поступать неуправляемый квантовый шум.

Заключение

Исследование усеченного фотона заставляет переосмыслить сам характер взаимодействия измерительных приборов с квантовыми объектами. Фотон нельзя рассматривать как изолированное тело, которое можно механически ограничить в пространстве. Он неразрывно связан со свойствами вакуума и границами той системы, в которой распространяется.

Любая попытка динамически изменить эти границы приводит к тому, что внешнее устройство неизбежно оставляет свой энергетический след в виде новых частиц. Принцип локальной эквивалентности показывает, как природа компенсирует это вмешательство: она локализует весь возникающий хаос в узкой пограничной зоне, сохраняя квантовую чистоту системы во всем остальном пространстве.

Источник: arXiv

3 комментария

Добавить комментарий

M
Детская задача. Фотон окажется в суперпозиции отразившегося и прошедшего насквозь.
A
Жидкая попытка теории струн сферического коня в вакууме?
S3DN13
Спасибо, мой мозг сломался

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему современные болиды стали тише: куда исчез рёв гоночных моторов?

Раньше звук болида Формулы-1 было сложно перепутать с чем-либо другим. Высокочастотный рёв двигателя разносился по всей трассе, а во время разгона казалось, что мотор буквально разрывает воздух....

Керосинка наносит ответный удар. Ретро-дизайн и современная яркость. Обзор Moslighting MOS-M1

Огромная ёмкость аккумулятора, теплый и яркий нейтрально-белый свет, плавная регулировка яркости и уютная внешность старой-доброй «керосинки». Кемпинговый фонарик от Moslighting в очередной раз...

В холодную или кипящую воду класть картофель: почему результат получается разным

Казалось бы, что может быть проще варёной картошки? Почистили клубни, положили в кастрюлю, залили водой и поставили на плиту. Но даже здесь возникает вопрос, из-за которого хозяйки могут...

Красный плюс на светофоре: что означает этот сигнал и как правильно действовать водителю

На сложных перекрёстках в ряде стран можно встретить светофор с дополнительной секцией, в которой горит красный символ в виде плюса. Этот сигнал вызывает вопросы даже у опытных водителей, привыкших...

Почему нельзя ждать, пока гейзерная кофеварка зашипит, и зачем макать ее в холодную воду: как сварить дома густой кофе без горечи

Характерное бурление и шипение, которые раздаются из гейзерной кофеварки в конце ее работы, большинство людей воспринимают как сигнал о том, что кофе готов. Однако замеры температуры и давления...

Инструкция по сборке Вселенной: почему для симуляции одного человека хватит энергии настольной лампы

В чилийской пустыне Атакама, на высоте двух с половиной тысяч метров, работают телескопы Паранальской обсерватории. Свет далеких галактик, который улавливают здешние зеркала, летит сквозь космос...