Бесконечность в одном фотоне: физики случайно открыли портал в новую реальность квантовых частиц

Физики недавно задались вопросом, что произойдет, если попытаться расщепить фотон, — и обнаружили столь неожиданное поведение, что оно способно перевернуть наше представление о частицах. Эксперимент, в ходе которого ученые смоделировали перерезание фотона затвором в различных условиях, показал: разрубленный фотон превращается в сложную смесь — от нуля до бесконечного множества фотонов. Этот результат поднимает фундаментальные вопросы о природе взаимодействия частиц.

Фотоны — это элементарные порции света, и они ни из чего не состоят. Так что вообще может означать попытка расщепить фотон? Ответ кроется в корпускулярно-волновом дуализме — одном из краеугольных принципов квантовой механики, этой причудливой физики сверхмалых величин.

Согласно дуализму, фотон — это не только частица, но и волна. Используя теоретические расчеты, исследователи изучили, что случится, если послать фотон через затвор и захлопнуть его в момент прохождения светового луча, буквально отрезая хвостовую часть фотонной волны. «Я думаю, что большинство физиков ожидали бы получить определенную вероятность того, что у вас останется ноль фотонов, и определенную вероятность того, что останется один фотон, — рассказал Live Science Йоханнес Скаар, соавтор нового исследования и профессор теоретической физики Университета Осло. — И это приблизительно верно, но не совсем точно».

В чем шансы?

Здесь вступает в игру еще одна странная особенность квантовой механики — ее вероятностная природа. Частицы существуют в виде облака вероятностей, простирающегося до бесконечности. Пока частица не измерена, ее свойства — например, положение или энергия — находятся в суперпозиции возможных значений; мы можем знать лишь шансы обнаружить ее в том или ином состоянии.

Путем расчетов Скаар и его коллеги выяснили, как обрезание фотона влияет на эти вероятности. В своем исследовании, недавно принятом к публикации в журнале Physical Review Letters, они обнаружили, что этот процесс создает сложную смесь фотонных состояний, включая состояние с бесконечным числом фотонов. Каждое из этих состояний обладает вероятностью, зависящей от того, насколько быстро затвор обрезает фотон. Ожидаемое число фотонов становится бесконечным только при бесконечно быстром закрытии затвора; для реалистичных скоростей даже тысяча фотонов будет крайне маловероятным исходом.

Это звучит весьма странно, но квантовых физиков подобные фокусы не смущают. По-настоящему удивило Скаара и его коллег другое: что происходит при измерении обрезанного фотона с разных точек наблюдения.

«Когда вы проводите измерения с одной стороны затвора, состояние выглядит как одиночный фотон, — пояснил Скаар. — С другой же стороны оно выглядит как вакуумное состояние — то есть ноль фотонов. И это очень странно, потому что глобальное состояние на самом деле представляет собой смесь от нуля до бесконечности».

Как изменится наше понимание частиц

Тот факт, что столь сложную смесь можно локально рассматривать как простые состояния, поднимает фундаментальные вопросы о самой природе частиц. Скаар признался, что команда до сих пор осмысливает всю глубину последствий этого открытия и уже размышляет, как подобный процесс мог бы протекать для других квантовых частиц, например электронов.

Исследователи надеются, что, двигаясь по этой теоретической нити, они смогут выработать более элегантный способ описания взаимодействий частиц. Дело в том, что бесконечная протяженность частиц в настоящее время означает, что они взаимодействуют бесконечно долго. А это создает проблему причинности — порядка причины и следствия — в их взаимодействии.

У новых теоретических фотонов с обрезанным хвостом такой проблемы не возникает: причинно-следственная связь во взаимодействии становится кристально ясной. Скаар признал, что для полноценного теоретического описания таких взаимодействий предстоит проделать еще огромную работу, однако назвал новый результат важным шагом на пути к описанию частиц с четкими причинными отношениями. Именно это он назвал «конечной целью» своей команды.

Открытие норвежских теоретиков — это не просто красивый математический трюк, а потенциальный ключ к решению одной из самых мучительных загадок квантовой теории. Бесконечные «хвосты» частиц, тянущиеся сквозь пространство-время, десятилетиями мешали физикам аккуратно описать, кто на кого влияет в микромире. Если идею «обрезанного фотона» удастся распространить на электроны и другие частицы, это может привести к переписыванию правил квантовой электродинамики и рождению новой, более чистой формулировки физики взаимодействий.

Практические последствия тоже не заставят себя ждать. Квантовые компьютеры будущего, оперирующие запутанными фотонами, крайне чувствительны к потерям. Понимание того, что происходит с информацией в момент «разрезания» фотона, может подсказать инженерам, как защитить квантовые состояния от разрушения. Кроме того, полученный результат проливает свет на фундаментальный предел измерения: если наблюдатель по одну сторону затвора видит частицу, а по другую — пустоту, то где именно «находится» реальность? Подобные мысленные эксперименты, еще недавно бывшие уделом философских дискуссий, теперь обретают строгую математическую форму и в перспективе могут быть проверены на сверхчувствительных детекторах. Как говорят сами авторы, самое интересное только начинается.

Источники: Physical Review Letters (принято к публикации, 2026), интервью Йоханнеса Скаара (Университет Осло) для Live Science, Getty Images (EschCollection).