在量子力學中，光子同時具備粒子與波特徵，兩種都是無法再分割的最小單位，但若我們還是嘗試強行「截斷」光子，會發生什麼事？物理學家 Johannes Skaar 團隊最近提出一項新思想實驗，發現當用極快速光學快門「切斷」一個光子，會在理論上得到「同時含無限多顆光子」的量子態。
如同其它微觀量子粒子，基本粒子光子具有波粒二象性（Wave-Particle Duality），能同時展現波動性與粒子性。
而 Johannes Skaar 團隊思考正在一件事，如果單顆光子通過速度夠快的光學快門（本質上可打開、關閉以阻擋部分光脈衝），攔截光脈衝並阻掉部分延長波，之後會發生什麼事？
為此團隊使用量子方程式描述光子潛在電磁場在量子層級的行為；具體來說，團隊假設光學快門速度快到能在中途截斷光脈衝，類似將光子波形「切」成前半與後半，接著用量子場論方程式計算光子電磁場在快門干涉下如何改變量子態。
數學分析結果顯示，快門打斷光子波形後並不是形成一邊光子、一邊真空的狀態，而是從量子真空（vacuum）產生無限多個光子。更精確來說，系統量子態會變成包含無限多光子的疊加態，真空中的電磁場漲落在快門作用瞬間被強烈干擾，激發大量虛光子變成實光子，理論上數量趨近無限。
挑戰一刀兩斷直覺
有趣的是若只看快門位置兩側局部區域，我們會以為一切正常：一邊看起來仍像單一光子，另一邊看起來像真空，實際上整體量子態已被擾動變得極度複雜。
這項理論實驗意義在於體現量子物理、經典物理的根本性差異：經典物體可以被分割，但量子粒子被「強行分割」會引發劇烈量子效應，且局域觀測無法描述量子系統整體複雜性。
此外，嘗試在時間/空間「截斷」光子，本質上是改變整體量子場邊界條件，牽涉對象不僅那顆光子，而是整個真空與場結構。
團隊未來研究計畫進一步探討若涉及多個光子或其他基本粒子（如電子），是否也會出現類似奇異物理現象。
新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
（首圖來源：pixabay）
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