科學(xué)家試圖將光子切成兩半，結(jié)果光子發(fā)生了匪夷所思的變化

如果你試圖將光的最小基本單元--光子分解成更小碎片，會發(fā)生什么？

根據(jù)物理學(xué)家對宇宙基本組成單元的普遍理解，這根本不可能，因為長期以來人們認(rèn)為它們無法被進(jìn)一步分解。

在經(jīng)典世界里，切割是天經(jīng)地義的操作：一刀下去，任何物體都能被分成更小的部分。

但量子世界的規(guī)則截然不同，光子是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本粒子，理論上根本不存在半個光子這種東西。

可矛盾的是，光子同時又是一種波。

就像水波會擴(kuò)散到整個湖面一樣，單個光子的模式函數(shù)（通俗理解為它可能出現(xiàn)的位置范圍）其實有著無限長的“尾巴”。

哪怕是一個從燈泡發(fā)出的光子，在飛向墻壁的過程中，它的尾巴也會延伸到房間的每個角落，只是在墻壁附近的概率最大而已。

既然光子的波有無限長的尾巴，那我們能不能用一個足夠快的快門，把它的尾巴切掉？

挪威奧斯陸大學(xué)的伊薩克·魯坎、揚(yáng)·古拉和約翰內(nèi)斯·斯卡爾團(tuán)隊，就對這個看似異想天開的問題進(jìn)行了嚴(yán)格的理論推演。

該研究的預(yù)印本于2025年10月提交，2026年5月更新至第二版發(fā)布在預(yù)印本平臺上。

他們設(shè)計了一個巧妙的思想實驗：讓一個光子從左邊飛來，在它的路徑上放一面完美的反射鏡系統(tǒng)，一開始，系統(tǒng)會把光子的波函數(shù)尾巴反射回去，就在光子的主體部分快要到達(dá)鏡子系統(tǒng)的瞬間，以極快的速度把鏡子關(guān)掉——不是瞬間消失，而是讓鏡子的反射率在極短時間內(nèi)從100%平滑降到0。

理論上，如果脈沖鏡系統(tǒng)能夠以足夠快的速度運(yùn)行，它就能在脈沖中間捕獲單個光子，從而截取粒子擴(kuò)展波的一部分。

那么接下來，他們自然而然地就想知道之后光子會發(fā)生什么。

為了解答這個問題，斯卡爾和他的同事們通過應(yīng)用與光子相關(guān)的電磁場及其在量子層面的行為相對應(yīng)的量子方程，他們得以衡量光子量子態(tài)在與快速切換快門近距離接觸時的響應(yīng)。

計算結(jié)果完全顛覆了我們的直覺。

被截斷后的光子，既不是原來的完整光子，也不是什么半個光子，更不是光子和真空的簡單混合。

它變成了一種極其復(fù)雜的量子混合態(tài)，同時包含了0個、1個、2個……直到無限多個光子的所有可能情況。

換句話說，用快門切了一下光子，結(jié)果反而變出了一堆新光子。

這聽起來很是不可思議，但其實有嚴(yán)格的物理依據(jù)。

根據(jù)諾特定理，當(dāng)物理規(guī)律不再隨時間保持不變（即時間平移對稱性破缺）時，系統(tǒng)的能量就不再守恒。

在這個實驗中，快速開關(guān)鏡子需要外界對系統(tǒng)做功，正是這部分能量被轉(zhuǎn)化成了新光子的能量。

這個現(xiàn)象叫做動力學(xué)卡西米爾效應(yīng)，早在2011年，科學(xué)家們就已經(jīng)在實驗室里觀察到了移動鏡子產(chǎn)生的微波光子，證實了它的存在 。

所謂的真空漲落只是提供了光子產(chǎn)生的可能性，能量最終還是來自于驅(qū)動鏡子的外部系統(tǒng)，并非從真空中無中生有。

更神奇的是，這種復(fù)雜的多光子態(tài)，在大多數(shù)情況下看起來和普通的光子或真空沒什么兩樣。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在鏡子開關(guān)之后，會形成一個以光速向右移動的極窄過渡區(qū)（長度約為10?1?秒×光速≈3微米）。

在過渡區(qū)的左邊，只要你只測量所在區(qū)域的局部物理量，無論用什么探測器，得到的結(jié)果都和一個完整的光子完全相同；而在過渡區(qū)的右邊，測量結(jié)果則和絕對的真空沒有任何區(qū)別。

只有當(dāng)你把探測器放在那個狹窄的過渡區(qū)里時，才能探測到那些額外產(chǎn)生的光子，以及極高的能量密度。

為什么會這樣？

答案是因果性。

因為光速是有限的，過渡區(qū)外的區(qū)域還沒有收到鏡子開關(guān)的任何信息，所以它們只能“看到”自己所在區(qū)域的局部狀態(tài)。

這種全局復(fù)雜、局部簡單的現(xiàn)象，被稱為局域等價性，它為我們理解量子場論中最根本的問題——什么是一個局域化的粒子提供了一個絕佳的理論模型。

長期以來，物理學(xué)家們一直在爭論，量子場論中的粒子到底是不是一個局域的概念。

這項研究清晰地表明，一個全局上包含無限多粒子的復(fù)雜量子態(tài)，在局部區(qū)域可以表現(xiàn)得和單個粒子完全相同。

目前，這項研究還停留在理論階段，但斯卡爾團(tuán)隊已經(jīng)在和實驗物理學(xué)家合作，設(shè)計實驗來驗證他們的預(yù)測。

未來，他們還計劃研究多個光子被截斷時的情況，以及這種現(xiàn)象和其他量子效應(yīng)之間的聯(lián)系。