Три теоретичні фізики з Університету Осло у Норвегії дослідили, що станеться, якщо «розрізати» фотон, і опублікували результати у Physical Review Letters у статті під назвою «Truncated Photon». Вони підтверджують, що фотон як елементарна частинка неподільний, але використали хвильову природу світла, щоб розглянути можливість його часткового розподілу.

Світло має подвійний характер — воно одночасно є і хвилею, і частинкою. Цей феномен було вперше продемонстровано в експерименті з двома щілинами британським фізиком Томасом Янгом у 1801 році. Коли світло проходить через дві паралельні щілини, на екрані з’являється інтерференційна картина, що нагадує накладання двох хвиль. У квантовій фізиці об’єкти можуть перебувати у суперпозиції станів, як це ілюструє експеримент зі «котою Шредінгера», де кіт одночасно живий і мертвий, поки його не спостерігають.

Вчені застосували оптичний затвор — швидкорухомі дзеркала, які можуть блокувати або пропускати світлові імпульси, щоб «обрізати» хвильовий пакет фотона. За допомогою квантової теорії поля вони показали, що такий підхід не дає двох фотонів або фотона і вакууму, а породжує складний стан із нескінченним числом фотонів. Відокремлення частини хвилі викликає «різкий край», який складається з все більшої суперпозиції фотонів, утворюючи квантовий стан з нескінченним числом частинок.

У супровідному коментарі дослідники пояснили, що при знятті дзеркала «потяг квантового поля» витягує фотони з навколишнього вакууму. Водночас, якщо вимірювати стани з обох боків «розрізаного» хвильового пакета, то результати виглядають як один фотон зліва і вакуум справа, за винятком вузької перехідної області. Таким чином, на квантовому рівні існує постійний нескінченний потік фотонів, але вимірювання показують або один фотон, або нічого.

«Стан обрізаного фотона є прикладом дуже складного стану, який дає ті ж статистичні результати вимірювань, що й дуже прості стани, якщо ці вимірювання стосуються лише локальних спостережуваних величин ліворуч або праворуч від перехідної області», — зазначають автори.

Дослідження є теоретичним і не передбачає реального розрізання фотонів, але демонструє нові властивості квантової теорії поля. Запропонована експериментальна схема не є надскладною, тож її можуть перевірити практичні експерименти.