Самый странный эксперимент, о котором вы не слышали

Ладно, мне нужно рассказать вам кое-что, что произошло в физической лаборатории, и честно? Мой мозг до сих пор не оправился.

Три физика из Университета Осло во время ужина задались вопросом, который звучит очень по-ботански: А что будет, если попробовать разрезать фотон пополам?

Простой вопрос, да? Фотоны — это частицы света. Должны получиться два маленьких кусочка света. Может быть.

Но вот загвоздка — фотоны элементарные частицы. Они ни из чего не состоят. Рубить их нельзя. Внутри них ничего нет.

И всё же исследователи подумали: а что если попробовать «урезать» фотон? Например, затвором отрезать часть оптического импульса?

Тут становится странно

Когда вы отрезаете кусок фотона, происходит кое-что совершенно неожиданное.

Вместо двух помятых половинок света вы получаете больше фотонов.

Я знаю. Мне тоже пришлось перечитать это три раза.

Авторы работы (опубликована в Physical Review Letters, если хотите выпендриться) формулируют так: обрезая часть фотона, вы «по сути создаёте кучу новых фотонов». Даже если затвор закрывается медленно.

Мне в голову приходит метафора мифической гидры — отрубаешь голову, а вырастают две. Только здесь гидра из света, а правила не имеют смысла.

Почему фотоны страннее, чем вы думали

Почему так происходит?

Вот ключевая идея: фотоны не симметричные пакетики света. У фотона с одной стороны есть то, что учёные называют «бесконечным хвостом». Представьте волну, которая просто... уходит в бесконечность в одну сторону. Это ваш фотон.

Из-за этой асимметрии место разреза имеет огромное значение. Фотон — не аккуратный однородный шарик, который ждёт разделения.

Чтобы разобраться, Osloская команда построила так называемую «игрушечную модель» — упрощённую версию задачи, чтобы сосредоточиться на главном. Они представили один фотон, летящий в одном измерении с одной поляризацией, летящий прямиком к зеркалу-затвору.

И что получилось из этого аккуратного эксперимента?

Один кусок оказался чистым вакуумом — ничего. Никакого фотона. Другой кусок — целый одиночный фотон. Полностью отдельные, чистые состояния, без памяти о том, что они были частью чего-то большего.

Ни один кусок не выглядел «разрезанным». Оба выглядели цельными. Но каким-то образом фотон... перераспределил себя?

Почему никто раньше не задавал этот вопрос?

Самі авторы отмечают, что вопрос кажется очевидным задним числом, но, видимо, никто раньше не удосужился его задать. И мне кажется, я понимаю почему.

Когда ты практикующий физик, ты сосредоточен на практических задачах — эксперименты для квантовых вычислений, передачи информации, понимания фундаментальной структуры Вселенной. Сидеть и думать «а что если просто... разрезать фотон пополам?» кажется слишком простым.

И может быть, вот какой тут урок. Иногда вопросы, которые кажутся слишком базовыми для того, чтобы их задавать, на самом деле скрывают самую fascинирующую странность в физике.

Что это вообще значит?

Надо быть честным: это была теоретическая работа с идеализированными моделями. В реальности было бы сложнее. Но фундаментальная идея — что урезание фотона не уменьшает, а потенциально увеличивает их количество — кажется настоящей.

Исследователи предполагают, что такие усечённые состояния фотона могут быть проще для изучения классической физикой, чем квантовым подходом. Но для нас, просто любущихся странностью, вывод проще:

Вселенная гораздо страннее, чем мы думаем.

Мы привыкли думать, что понимаем свет. Мы знаем о фотонах уже больше века. Используем их для всего — от связи до медицины. И всё равно, оказывается, мы до конца не понимаем, что происходит, когда пытаешься отрезать кусок.

Физика не закончила нас удивлять. И честно? Не могу дождаться, какие вопросы мы ещё не придумали задать.

А вы когда-нибудь задумывались о чём-то настолько базовом, что думали — кто-то уже точно ответил? Может, самые интересные открытия прячутся в вопросах, которые мы стесняемся задать.