Физики доказали: фотоны размножаются как гидра — отсечение одной частицы порождает бесконечное множество новых

Фотон — частица света. Некоторые элементарные частицы, например протоны, можно разделить на кварки, но кварк неделим. Что с фотоном? Физики-теоретики из Университета Осло проверили это математически. Свет — одновременно и волна, и частица. Поэтому фотон нельзя представить как летящую точку — у него есть «хвост», простирающийся в пространстве.

Используя квантовые уравнения электромагнитного поля, исследователи смоделировали, что произойдёт, если этот хвост отсечь очень быстрым затвором. Результат оказался поразительным. Отсечение порождает квантовое состояние света, представляющее собой суперпозицию бесконечного числа фотонов. Это происходит потому, что на квантовом уровне пустое пространство не пусто. Оно заполнено квантовыми полями (включая электромагнитное), которые обладают крошечными флуктуациями и могут возбуждаться с рождением частиц. Зеркало или затвор, «подрезающее» фотон, запускает такой процесс.

«Всякий раз, когда мы быстро меняем состояние зеркала или затвора, мы "взбалтываем" вакуум и из ничего порождаем фотоны», — объясняет профессор Сэмюэл Браунштейн из Йоркского университета.

Любые локальные измерения покажут, что это состояние суперпозиции неотличимо от одного-единственного фотона по одну сторону зеркала и от пустого вакуума — по другую. Это подчёркивает, насколько представление об измерении в квантовом мире отличается от повседневного опыта. По словам Браунштейна, этот пример демонстрирует, как в квантовой теории «пугающе сложный объект может маскироваться под нечто абсолютно простое».

Эксперименты уже подтвердили: достаточно быстрый затвор в пустом пространстве действительно порождает фотоны. Об этом говорит профессор Ульф Леонхардт из Института Вейцмана. Однако экспериментальная проверка новой идеи может оказаться более сложной с технической точки зрения. Управление светом на сверхбыстрых временных масштабах постепенно становится реальностью в лабораториях, но затвор из нового исследования всё ещё быстрее того, что доступно сегодня.

Новая работа указывает на необходимость дальнейшего изучения явлений, связанных с квантовым вакуумом. Это может привести к уточнению — или даже изменению — квантовополевой теории электромагнитных взаимодействий. Помимо интереса к вопросам локальности в квантовой теории (которые могут быть связаны с ещё более фундаментальными идеями, например, с работой причинности в экспериментах с квантовыми частицами), авторы планируют расширить свой анализ на случай нескольких фотонов одновременно, а также на другие частицы, такие как электроны.

Вопрос остаётся открытым. Если пустое пространство не пусто, а заполнено квантовыми полями, и если изменение состояния зеркала может породить из ничего бесконечное число частиц, то что это говорит о природе реальности? Является ли вакуум источником неисчерпаемой энергии? И где та грань, за которой квантовая теория перестаёт быть абстракцией и начинает описывать технологии, которые можно построить — такие как источники неисчерпаемого света или новые способы передачи информации?