Вчені з Осло були здивовані тим, що станеться, якщо розрізати фотон навпіл

Спроба «розрізати» фотон — фундаментальну частинку світла — не розділить його на частини, а може породити величезну кількість нових фотонів, аж до математично нескінченного числа. До такого висновку дійшли фізики з Університету Осло — Йоганнес Скаар, Ісак Сесіль Онсагер Рукан та Ян Гулла.

Дослідники побудували строгу квантово-польову модель, у якій одиночний фотон проходить через часовий затвор — оптичний елемент, що різко блокує або пропускає світло. Ключ до розуміння результату полягає в природі самого фотона: у квантовій теорії поля він є не точковою частинкою, а збудженням електромагнітного поля з хвильовою структурою. Будь-який різкий вплив на таку хвилю не «обрізає» її, а перерозподіляє моди поля.

Математичний апарат задачі будується на перетвореннях Боголюбова, які пов’язують оператори народження та знищення фотонів до і після спрацювання затвора. Саме ці перетворення демонструють: «усічення» фотона виводить систему з однофотонного стану й переводить її в багатомодову структуру стиснутого вакууму.

У граничному випадку миттєвого прибирання дзеркала або затвора спектральний розподіл дає розбіжність середнього числа фотонів — формально це відповідає появі нескінченної кількості збуджень. Джерелом ефекту є високочастотна компонента перетворення Фур’є функції різкого перемикання: вона не обмежена за спектром і «розгойдує» вакуум поля. Утім, це не означає нескінченну енергію у фізичному сенсі — енергія надходить ззовні, від роботи, яку виконує зміна граничних умов системи.

Якщо замість миттєвого перекриття плавно змінювати кут затвора, розбіжності зникають: оператор перетворення залишається обмеженим, а середнє число фотонів стає скінченним. Це задає фізичну межу застосовності ідеалізації «миттєвого розрізу» і пов’язує ефект із динамічним ефектом Казиміра, за якого рух меж системи породжує реальні фотони з вакуумних флуктуацій.

Найнесподіваніший результат стосується локальних спостережень. Попри глобально складну структуру — суперпозицію з нескінченною кількістю фотонів — спостерігач, обмежений однією областю простору, бачить або звичайний вакуум, або майже вихідний однофотонний сигнал. «Вибух фотонів» проявляється лише глобально, тоді як локально система приховує свою складність. Це пов’язано з фундаментальною неможливістю строго локалізувати фотон: будь-яка спроба визначити його координати порушує обмеження локалізації релятивістських полів.

Робота має й практичне значення. Подібні ефекти стають актуальними для систем, де одиночні фотони є носіями інформації — від квантової криптографії до прецизійних сенсорів. Розуміння того, як реальні оптичні пристрої змінюють вакуумну структуру поля, критично важливе для коректного опису майбутніх квантових технологій.