Физики выяснили, что происходит при расщеплении фотона

Норвежские физики задались вопросом, который казался настолько очевидным, что его, видимо, никто раньше не задавал: что произойдёт, если расщепить фотон — мельчайшую частицу света? Они построили математическую модель одиночного волнового пакета фотона, направленного к зеркалу. В модели зеркало исчезало в тот момент, когда передняя часть волнового пакета ударялась о него. Передняя часть отражалась, а задняя продолжала двигаться вперёд, будучи отрезанной от остальной волны. Данную информацию сообщает портал BGR.

Казалось бы, должно получиться два фотона. Но нет. Когда зеркало исчезло, на каждом волновом пакете образовался резкий край. Одиночный фотон не может создать волновой пакет с таким резким краем — для этого требуется несколько фотонов. Исследователи из Университета Осло обнаружили, что вместо двух фотонов расщепление одного может произвести множество. Сколько именно — единого ответа нет. Квантовая теория поля предполагает: чем резче обрыв, тем больше фотонов требуется для его создания. Чем быстрее исчезает зеркало, тем резче край. Если бы зеркало могло исчезнуть мгновенно, число фотонов теоретически могло бы стремиться к бесконечности. Поскольку физическое зеркало не может исчезнуть мгновенно, учёные ожидают, что в реальном эксперименте число будет небольшим.

Фотоны легко производить — достаточно фонарика или лазерной указки. Сложность в том, чтобы контролировать их: они никогда не отдыхают и движутся со скоростью света. Именно поэтому некоторые учёные видят в фотонах будущее компьютерных чипов. Фотоны могут передавать информацию без электрического сопротивления, сохраняя чипы более холодными, чем при использовании электронов. Несколько каналов света могут идти по одному пути, а крошечные оптические компоненты управляют движением света и передачей данных. Учёные также разработали упаковку с прочной стеклоподобной связью, которая позволяет фотонным чипам работать в экстремальных условиях, что делает их пригодными для дальнего космоса.

NASA уже активно использует фотоны для изучения космоса. Телескопы и другие инструменты обнаруживают фотоны по всему электромагнитному спектру, чтобы лучше понимать далёкие планеты, звёзды и галактики. Понимание фотонов может помочь улучшить измерение таких явлений, как гравитационные волны, позволяющие увидеть чёрные дыры, или разгадать тайну Большого взрыва. В 2019 году учёные лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO начали использовать квантовый трюк, по сути сжимающий свет. Это снизило квантовый шум, связанный с фотонами, и повысило чувствительность измерений. Один из исследователей LIGO сказал, что учёные десятилетиями знали, что уравнения работают, но не были уверены, что технологию удастся реализовать, пока не сделали это, сравнив результат с научной фантастикой.

Исследование в Осло пока находится на стадии уравнений. Если физикам удастся воспроизвести эффект расщепления фотона в реальном эксперименте, это может привести к очередному прорыву, который противоречит здравому смыслу.