Квантовый парадокс: удаление зеркала во время отражения фотона множит число частиц до бесконечности

Исследователи из Университета Осло задались вопросом, который до них никто не задавал: что произойдет, если попытаться «разрезать» фотон во время его отражения от зеркала. Ответ оказался неожиданным: вместо двух фотонов, расходящихся в разные стороны, процесс может породить множество новых фотонов, а в некоторых случаях — бесконечное их число. Однако, как поясняют авторы работы, опубликованной в Physical Review Letters, это не означает, что можно нарушить законы сохранения энергии — всё упирается в скорость удаления зеркала и в квантовую природу самого эксперимента.

Квантовая странность: от одного к бесконечности

Фотоны — элементарные частицы света, не имеющие массы и способные двигаться со скоростью света. Они одновременно являются и волнами, и частицами. В новом исследовании физики рассматривали ситуацию, когда фотон отражается от оптического затвора — по сути, от зеркала. Если убрать это зеркало в тот самый момент, когда фотон отражается, возникает принципиально иное квантовое состояние. По расчетам ученых, вместо одного фотона возникает сложное состояние, включающее суперпозицию разных чисел фотонов — от нуля до бесконечности. Это не означает, что фотон буквально «разрезается» на части: он остается неделимым. Однако изменение граничных условий, в которых он находится, приводит к перераспределению вероятностей и возникновению множества новых квантовых состояний.

Один из авторов работы, физик Йоханнес Скаар, пояснил, что ожидаемое число рожденных фотонов не является бесконечным. Если удалять зеркало медленно, число фотонов будет малым. Если делать это быстро — большим. Бесконечности можно достичь только в случае бесконечно быстрого удаления зеркала, что физически невозможно. То есть бесконечное число фотонов принципиально достижимо только как математический предел, но не как реальный экспериментальный результат.

Важно и то, что такой эксперимент не требует сверхъестественных скоростей. Фотоны могут быть очень длинными — несколько метров или даже километров. Для такого фотона зеркало не должно двигаться с нереалистичной скоростью, чтобы успеть «перекрыть» его в процессе отражения. Это значит, что обсуждаемый эффект может быть воспроизведен в лабораторных условиях.

Кроме того, ученые выявили необычный пространственный эффект. Если смотреть на систему слева от зеркала, то там виден один фотон. Если смотреть справа — вакуум, то есть ноль фотонов. Но между ними есть узкая переходная область, где наблюдается сложное смешанное состояние, которое можно описать как множество фотонов. Это создает парадоксальную ситуацию: одно и то же квантовое состояние выглядит по-разному в зависимости от точки наблюдения. Это напоминает знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера, где объект одновременно находится в двух состояниях.

Работа демонстрирует, что даже в вакууме происходят удивительные процессы. Удаление зеркала при отражении фотона — это не просто теоретический курьез. Оно показывает, как изменение условий может преобразовывать вакуумную энергию в реальные частицы. Это открытие имеет значение для квантовой оптики и может повлиять на развитие квантовых технологий, включая квантовые компьютеры и системы связи.

Исследование подтверждает, что мир фотонов полон неожиданностей, а граница между пустотой и материей оказывается куда более проницаемой, чем мы привыкли думать. Даже простой акт удаления зеркала способен вызвать лавину квантовых событий, и этот процесс, по словам физиков, «весьма сложен».