フォトンを切断しようとすると、非常に奇妙な動作をします

ギリシャ神話では、レルナのヒドラから 1 つの頭を切り落としても、その場所にさらに 2 つの頭が生えてきました。そして、フォトンにとってはさらに悪いことであることが判明しました。光の粒子の一部を切断しようとすると、その結果、無限に多くの光の粒子が作成されます。

粒子の中には基本的なものもあります。これは、粒子をより小さな断片に分割することができないことを意味します。たとえば、陽子は 3 つのクォークに分割できますが、各クォークをさらに分割することはできません。しかし、とにかく素粒子を切断しようとするとどうなるでしょうか?

ノルウェーのオスロ大学のヨハネス・スカール氏とその同僚は、光子が鏡に遭遇するケースをテストし、まさにそれが可能だった。

光は量子であるため、光子の搬送体と電磁波の両方として説明できます。したがって、光子は固体物体のように完全に局在しているわけではなく、空間を横切って伸びる尾を持っています。提案されたシナリオでは、ミラーは光子の一部のみを反射するのに十分な速度で移動でき、これは尾部を切り取ることと同じです。

研究チームは、電磁場の量子方程式を使用して、このせん断により、無限の数の光子の混合または重ね合わせである光の量子状態が生成されることを明らかにしました。これは、量子レベルでは、空の空間は空ではなく、電磁場のような量子場で満たされているために起こります。そのすべてが小さな振動を持ち、励起されて粒子を生成する可能性があります。光子をカットする鏡はそのようなプロセスを活性化します。

「鏡やシャッターを素早く交換するたびに、真空が励起され、何もない空間から光子が呼び出されます」と英国ヨーク大学のサミュエル・ブラウンスタイン氏は言う。しかし、局所的な測定、つまり近接観察では、重ね合わせ状態は鏡の一方の側の単一光子ともう一方の空の真空と区別できないことがわかり、量子の領域における観察の考え方が私たちの日常の経験と比べていかに異なって機能するかを浮き彫りにします。これは、量子論において「信じられないほど複雑な物体が、完全に単純なものに見せかけることができる」ということを示している、と彼は言う。

イスラエルのワイツマン科学研究所のウルフ・レオンハルト氏は、実験の結果、真空中で十分に高速なシャッターを動作させると実際に光子が生成されることが判明したが、新しいアイデアを実験的にテストするのは技術的により困難になる可能性があると述べている。非常に速いタイムスケールで光を操作することは実験的に現実になりつつあるが、新しい研究によるシャッターはまだ研究室で利用できるものより速い、と彼は言う。新しい研究はまた、量子真空から生じる現象については更なる研究が必要であると指摘しており、電磁気学の場の量子理論の改良や修正につながる可能性があるとレオンハルト氏は言う。

スカー氏らは、量子粒子を用いた実験で因果関係がどのように機能するかなど、さらに大きなアイデアに関連する量子理論の局所性の問題に興味を持っていることに加えて、現在、分析を一度に複数の光子や電子などの他の粒子に拡張したいと考えている。