Физики разобрали мысленный эксперимент с фотоном и исчезающим зеркалом

Что произошло

Ars Technica пересказывает теоретическую работу трех норвежских физиков о необычном квантовом сценарии: что будет, если одиночный фотон находится в процессе отражения от идеального зеркала, а зеркало внезапно убрать.

Интуитивно можно было бы ожидать, что фотон просто окажется либо отраженным, либо прошедшим дальше. Однако автор статьи подчеркивает, что ответ оказывается сложнее, потому что фотон не является точечной частицей с заранее определенным положением.

Почему фотон нельзя просто «разрубить»

В обычных условиях фотон не делится. Если бы деление и объединение фотонов происходило повседневно, то прохождение света одного цвета через стекло или его отражение от поверхности постоянно порождало бы множество цветов. В реальности этого обычно не происходит.

Деление и объединение фотонов относится к нелинейным процессам. Для таких эффектов обычно нужна либо очень чувствительная среда, либо источник света высокой интенсивности, например лазер.

Как работает пример с частично отражающим зеркалом

В статье приводится сравнение с частично отражающим зеркалом. Когда одиночный фотон попадает на такое зеркало, он либо проходит через него, либо отражается.

До измерения фотон рассматривают как находящийся в суперпозиции двух возможностей: отражения и прохождения. Если поставить детекторы на обоих путях, сработает только один из них, а другая возможность исчезнет при коллапсе суперпозиции.

В чем сложность

Внезапное удаление зеркала во время отражения не похоже на привычные примеры нелинейной оптики, но в статье оно описывается как нелинейное событие. Именно это делает мысленный эксперимент менее очевидным, чем простая аналогия с частично отражающим зеркалом.

Главная интрига работы в том, что стандартная картина «один фотон — один сработавший детектор» может быть недостаточной для описания ситуации, где само условие отражения меняется во время взаимодействия фотона с зеркалом.