把光子“切成两半“会发生什么？

光子是光的单个粒子在通常情况下无法被分割。但光子又不像普通粒子那样有确定的位置它是一种具有空间延伸性的存在。那么如果一个光子正处于被完美镜面反射的过程中镜子突然被抽走会发生什么来自挪威的三位物理学家给出的答案比预想的要复杂得多。光子的分裂与合并先简单聊聊光子的分裂与合并现象。如果这是日常生活中的普遍现象那么让单色光穿过玻璃或被镜面反射就可能导致光子分裂或合并进而产生绚丽的色彩变化——整个宇宙看起来就像一场极致的迷幻体验。但现实中这种情况并不会随便发生。光子的分裂与合并确实会在特定条件下出现前提是光所穿过的介质必须对光本身产生响应。这种现象可以从单色光源中产生出彩虹般的色彩。从专业角度来说我们日常看到的光学现象属于线性过程而光子的合并与分裂则是非线性过程。要突破这种非线性限制通常需要极为灵敏的介质或者极高强度的光源比如激光。在反射过程中突然抽走镜子这个事件乍看起来并不像通常意义上的非线性过程。但仔细思考就会发现这显然是一个非线性事件。之所以容易被忽视是因为我们惯常的单光子镜面反射思维框架遮蔽了这一点。半透镜与叠加态先从半透镜的例子说起。当一个光子射到半透镜上它要么穿透、要么反射。光子会进入一种既反射又透射的叠加态两种路径的概率取决于镜面的反射率。如果在反射和透射路径上各放一个探测器其中一个探测器响应时叠加态便会坍缩另一条路径随之消失。两个探测器不会同时响应我们不会各记录到半个光子。从直觉上看对于在反射过程中被抽走的全反射镜似乎也可以做出相同的论断光子进入叠加态概率由镜子被抽走的时机相对于光子尺寸来决定测量时叠加态坍缩只有一个探测器响应。但实验结果并非如此。时间与频率的对偶关系要理解为什么会这样需要引入一些额外的理论背景。时间与频率是同一事物的两面。钢琴弹出的一个音符在时域上表现为持续一段时间的规律性气压振动可以用单一频率和振幅来描述。而复杂的声音和弦、断奏在时域上结构复杂需要多种频率组合来描述。这个规律同样适用于光子与镜面的反射过程。在正常反射中电磁场从入射波平滑过渡为反射波振幅的变化是连续而均匀的。然而一旦镜子被突然抽走反射波的振幅骤降为零透射波从零骤然跃起。这两处急剧的跃变所需的频率带宽远远超过原始光子本身。被截断的光子仍处于反射与透射的叠加态但由于存在尖锐的边缘它需要由多个不同频率的光子叠加来构成。换句话说把一个光子切成两半会产生一道彩虹。据推断这些新产生的光子同时处于反射光和透射光的叠加态。由于可能产生多个光子反射和透射路径上的探测器有可能同时响应。实验挑战要在实验中验证这一现象面临相当大的挑战。研究人员需要一个能够按需产生极窄谱线宽度单光子的光源使光子在时域上足够延展以便观测截断效应产生的新光子。同时还需要能在精确时机触发镜面切换的装置。这种切换不能用普通镜子来实现。研究人员计算表明从反射态到透射态的转变需要在约10飞秒1飞秒10???秒内完成这远远超出了物理移动镜子所能达到的速度。半导体等材料可以借助超快激光脉冲在30至100飞秒内实现这一切换。但这束触发激光本身会带来干扰如何将其滤除、以便观测单光子截断效应产生的新光子将是一大难题。不过已有间接证据支持这一机制。上述镜面被用来压缩超短脉冲反射脉冲在此过程中产生了更多频率成分说明必然有新光子生成。只是针对单光子的直接观测尚未实现。研究人员预计这一实验有望在约一年内完成。相关研究已发表于《物理评论快报》DOI10.1103/94pm-hp34QAQ1光子在镜面反射过程中镜子被抽走会发生什么A当镜子在光子反射过程中被突然移走时反射波振幅骤降为零透射波也从零急剧跃起这两处突变在频域上需要极宽的带宽远超原始光子的频谱范围。结果是被截断的光子会裂变出一系列不同频率的新光子即产生类似彩虹的多频率光。与常见认知不同反射和透射路径上的探测器可能会同时响应而不是只有一个响应。Q2光子分裂为什么是非线性过程日常生活中为何看不到A光子的分裂与合并属于非线性光学过程需要介质对光本身产生响应或需要极高强度光源如激光才能触发。日常光源强度不足普通介质也不具备这种响应能力因此单色光穿过玻璃或被镜面反射时不会随意发生光子分裂或合并我们也看不到由此产生的异常色彩。Q3验证光子截断效应的实验难点在哪里A主要有两大难点一是需要能按需产生极窄谱线宽度单光子的光源使光子在时域上足够延展二是镜面从反射态切换到透射态需要在约10飞秒内完成物理移动镜子完全做不到虽然半导体材料可以通过超快激光脉冲实现30至100飞秒内的切换但这束触发激光本身会产生强烈干扰难以从中分辨出单光子截断效应所产生的微弱新光子信号。