Согласно стандартному определению, элементарные частицы нельзя разделить на более мелкие составляющие. Однако группа ученых изучила гипотетический сценарий: что будет, если попытаться разделить один фотон. Результаты этого теоретического моделирования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В своей работе ученые рассмотрели ситуацию, в которой одиночный фотон, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, проходит через быстродействующий оптический затвор. Этот затвор, подобно зеркалу, способен блокировать часть светового импульса. Если затвор срабатывает достаточно быстро, он может буквально «отсечь» фрагмент волны фотона в середине импульса.
Для анализа последующего процесса исследователи применили квантовые уравнения, описывающие электромагнитное поле. Расчеты показали, что вместо ожидаемого разделения на два фотона меньшей энергии, затвор порождает суперпозицию состояний, содержащую одновременно бесконечное число новых фотонов.
Этот необычный эффект объясняется особенностями квантовой физики: пустое пространство не является абсолютно пустым, а пронизано флуктуациями электромагнитного поля. Быстрое переключение затвора нарушает эти флуктуации, что приводит к спонтанному рождению фотонов. При этом, если наблюдать за областью непосредственно рядом с затвором, картина выглядит привычно: с одной стороны фиксируется одиночный фотон, а с другой — обычный вакуум.
Данное исследование демонстрирует, что квантовые объекты ведут себя принципиально иначе, чем макроскопические, и ставит более глубокие вопросы о природе измерений и локализации информации. В дальнейшем ученые планируют проверить, будет ли наблюдаться подобная аномальная физика в системах с несколькими фотонами или с другими элементарными частицами, например, с электронами.